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

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

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.

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

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