ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТЕРМ АДСОРБЦИИ В РАМКАХ ПОЛИМОЛЕКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ БЭТ И ТЕРМОДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОЛИМЕР-РАСТВОРИТЕЛЬ

STUDY OF ADSORPTION ISOTHERMES WITHIN THE POLYMOLECULAR BET THEORY AND THERMODYNAMICS OF POLYMER-SOLVENT INTERACTIONS
Цитировать:
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТЕРМ АДСОРБЦИИ В РАМКАХ ПОЛИМОЛЕКУЛЯРНОЙ ТЕОРИИ БЭТ И ТЕРМОДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОЛИМЕР-РАСТВОРИТЕЛЬ // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Маматов Ж.К. [и др.]. 2021. 10(88). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/12327 (дата обращения: 04.12.2022).
Прочитать статью:

 

АННОТАЦИЯ

В данной работе исследована корреляция между молекулярной структурой и термодинамическими характеристиками для определения природы, количества и локализации адсорбционных центров, механизм адсорбции полярных молекул, природа межмолекулярных взаимодействий, конформация и состояние поглощенных кластеров, а также термокинетика адсорбции в нанокомпозиционном материале полиакрилонитрил (ПАН)-кремнезем.

ABSTRACT

In this work correlation between molecular structure andthermodynamical characteristics for determination of number, strange and localization of adsorption centers, structure of nanocompositional materials such as polyacrilonitrile (PAN)-silica, mechanism of adsorption of polar molecules of water, nature of intermolecular interactions, conformation and state of absorbitedclasters and also thermokinetics of adsorption has been investigated.

 

Ключевые слова: ПАН-кремнезем, органо-неорганический гибрид, межмолекулярное взаимодействие.

Keywords: PAN-silica, organic-inorganic hybrid, intermolecular interaction, electrostatic potential.

 

Введение

В настоящее время актуальной задачей в области химии и химической технологии является поиск новых, упрощенных способов получения функциональных материалов. Гибридные органо-неорганические материалы, сочетающие в себе свойства гидрофильной неорганической матрицы и функционализированного органического компонента, находят все большее применение в различных областях науки и техники. Их широко используют для получения покрытий, в качестве адгезивов, гидрофобизаторов для стекла, строительных и текстильных изделий, высокоэффективных сорбционных и комплексообразующих материалов [1]. Это зависит от предназначения конечного гибридного композита. Такие продукты востребованы и поэтому исследования по их получению является актуальными [2;3].

Интерес к проблеме взаимодействия воды с полимерами и полимерными материалами обусловлен рядом причин, одна из которых заключается в практической значимости такой информации, другая связана со специфическим или аномальным характером изменения сорбционных параметров, возникающих за счет водородных связей между молекулами воды и функциональными группами полимера [4;5].

Результаты и их обсуждение

Известно, что сорбционные свойства зависят от кристалличности и пористой структуры образцов. В связи с этим проведены сорбционные исследования с целью установления взаимосвязи пористости структуры и термодинамических свойств гибридных композиций в зависимости от условий синтеза. В качестве примера на рис.1 приведены изотермы сорбции паров бензола и концентрационная зависимость средней свободной энергии смешения полимер-растворитель и значения энергии Гиббса, а также параметры пористой структуры исходных образцов и нанокомпозиций.

 

 

Рисунок 1. Изотермы сорбции паров бензола исходными веществами и ПАН-кремнеземными гибридными композициями (а) и концентрционная зависимость средней свободной энергии смешения (б)

 

Результаты такого рода получены и по экспериментальным данным сорбции воды, и рассчитаны значения термодинамических функций и пористой структуры и водной поверхности образцов.  Изотермы сорбции дают качественную картину взаимодействия в системе полимер-растворитель: сорбционная способность исходного волокна наименьшая и по бензолу, и воде, а у кремнезема наибольшая сорбционная способность только по бензолу.

Гибридные композиции в случае бензола находятся между исходными образцами, а сорбционная способность по воде намного превышает значения сорбции исходных веществ, что дает судить о совместимости макромолекул различной химической природы. По-видимому, макромолекулы ПАН в процессе золь-гель синтеза внедряются в пространственную сетку кремнезема, кроме этого важную роль играют водородные связи, о которых было сказано в ИК-спектроскопических исследованиях композиций.

Таблица 1.

Параметры пористой структуры исходных веществ и ПАН-кремнеземных композитов, рассчитанных на основе адсорбции паров бензола

 

Образец

rср,

W0, см3

Хm, г/г

Sуд, м2

1

“Нитрон”

93,22

0,046

0,0042

9,81

1,05

1,25

2

Кремнезем

214,17

0,408

0,0164

38,12

3,61

4,2

3

ПАН:кемнезем – 1:1

126,31

0,104

0,0071

16,41

1,73

1,9

4

ПАН:кемнезем +Г – 1:1

171,12

0,195

0,0097

22,77

2,74

3,0

 

Результаты расчета термодинамических функций подтверждают такой вывод об улучшении совместимости компонентов композиций в водной среде: отрицательные значения термодинамических функций по сорбции паров воды значительно превышают таковые, рассчитанные по изотермам сорбции бензола.

Необходимо особо отметить тот факт, что в случае темплатного синтеза композиция получается наиболее пористой: средний радиус пор, суммарный объем пор и удельная поверхность принимают наибольшие значения.

Такие выводы подтверждаются и результатами, полученными при линеаризации изотермы сорбции паров воды по адсорбционной теории Де Бура и Цвикера, которая позволяет определить величину «истинной» сорбции, не осложненной капиллярной конденсацией и кластеризацией воды: во всей области относительного давления для ПАН-кремнезем они практически линейны, тогда как для исходных ПАН и кремнезёма изотермы не являются линейными.

 

Рисунок 2. Изотермы сорбции паров бензола исходными веществами и ПАН-кремнеземными гибридными композициями (а) и концентрционная зависимость средней свободной энергии смешения (в)

 

В качестве примера на рис.2 и табл.2 приведены изотермы сорбции паров воды и концентрационная зависимость средней свободной энергии смешения полимер-растворитель и значения энергии Гиббса, а также параметры пористой структуры исходных образцов и нанокомпозиций.

Таблица 2.

Параметры капиллярно-пористой структуры исходных веществ и ПАН-кремнеземных композитов, рассчитанных на основе адсорбции паров воды

Образец

rср,

W0, см3

Xm, г/г

Sуд, м2

1

“Нитрон”

46,14

0,037

0,0047

16,16

1,58

2,50

2

Кремнезем

231,65

0,476

0,0112

41,12

7,94

10,1

3

ПАН:кремнезем – 1:1

163,70

0,185

0,0064

22,64

2,76

4,73

4

ПАН: кремнезем – 1:1+Г

277,91

0,753

0,0154

54,17

8,21

12,4

5

ПАН:кремнезем 30:70

191,17

0,358

0,0106

37,41

5,82

8,50

6

ПАН:кремнезем 40:60

141,08

0,224

0,0090

31,76

4,92

7,61

 

Значения удельной поверхности в случае сорбции паров воды выше, а средняя свободная энергия смешения и энергия Гиббса наиболее отрицательны.

 

Список литературы:

  1. А.Р. Давлетова, Х.И. Акбаров, Б.Д. Кабулов. Золь-гель синтез наноматериалов на основе кремнезема и перспективы их применения // Композиционные материалы. 2015. №4. С. 37-38.
  2. И.П.  Суздалев Многофункциональные наноматериалы. Успехи химии 78 (3) 2009. С. 266-301.
  3. A.D. Pomogaylo. Hybrid polymer-inorganicalnanocomposits. Advenseses chemistry. M. 69 (1) 2000. P. 60-89.
  4. Ж. К. Маматов, О.Н. Рузимурадов, Н.Т. Каттаев, Х.И. Акбаров. Изучение капиллярно-пористой структуры гибридных панкремнеземных композиций // Узбекский химический журнал, 2020, №3, 16-22 б.
  5. J.K. Mamatov, A.Yu. Yarkulov,  F.G. Rakhmatkariyeva, N.I.Fayzullayev, Kh.I. Akbarov // Physical and Chemical Properties of Hybrid Polyacrylonitryl Silica Nanocomposites // International Journal of Control and Automation, Vol. 13, No. 4, (2020), p.220 – 229
Информация об авторах

докторант кафедры «Физическая химия» Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека, Узбекистан, г. Ташкент

Doctoral student of the Department of Physical chemistry of the National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Uzbekistan, Tashkent

преподаватель кафедры «Физическая химия» Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека, Узбекистан, г. Ташкент

Lecturer of the Department of Physical chemistry of the National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Uzbekistan, Tashkent

д-р хим. наук, доцент кафедры «Физическая химия» Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека, Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of Chemical sciences, associate professor of the Department of Physical chemistry of the National University of Uzbekistan named after MirzoUlugbek, Uzbekistan, Tashkent

доктор химический наук, профессор кафедры физической и коллоидной химии Национального университета Узбекистана имени Мирзо Улугбека, 100174, Узбекистан, г. Ташкент, Вузгородок

Doctor of Chemical sciences, professor, Physical and colloid chemistry Chair of Mirzo Ulugbek National University of Uzbekistan, 100174, Uzbekistan, Tashkent, Vuzgorodok

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top