ИК-спектроскопические исследования влияния лимонной кислоты на процесс полимеризации гипана с формалином

АННОТАЦИЯ

Показана возможность  получения новых высокоэффективных гидрогелей для сельского хозяйства на основе доступного местного сырья. Приведены результаты ИК-спектроскопических исследований влияния лимонной кислоты на процесс полимеризации гидролизованного полиакрилонитрила (ГИПАНа)  с формалином.

ABSTRACT

The possibility of obtaining new highly effective hydrogels for agriculture based on available local raw materials is shown. The results of IR-spectroscopic studies of the effect of citric acid on the polymerization of hydrolyzed polyacrylonitrile (GIPAN) with formalin are presented.

Ключевые слова: гидролизованный полиакрилонитрил, лимонный кислота, формалин, ИК-спектроскопический анализ.

Keywords: hydrolyzed polyacrylonitrile, citric acid, formalin, IR-spectrosco-pic analysis.

Введение

В Республике Узбекистан на протяжении ряда лет проводятся всесторонние исследования по получению новых полимерных материалов для различных отраслей. Одним из перспективных направлений является синтез высоконабухающих полимерных гидрогелей для сельского хозяйства, которые которые могут быть успешно использованы  в сельском хозяйстве в засушливых и полузасушливых районах с ограниченным водообеспечением для повышения эффективности использования поливной воды и атмосферных осадков [1-5].

Целью настоящей работы являлось изучение возможности  получения новых высокоэффективных гидрогелей на основе доступного местного сырья, а также ИК-спектроскопическое исследование влияния лимонной кислоты на процесс полимеризации гидролизованного полиакрилонитрила (ГИПАНа)  с формалином [6-10].

Объект и методы исследования

В качестве исходных веществ использованы  гидролизованный полиакрилонитрил (ГИПАН), полученный на ПО «Ферганаазот», и формальдегид (массовое соотношение 100:1.8). Реакцию проводили путём нагревания исходных компонентов в колбе ёмкостью 250 мл, помещённой в термостатируемую водяную баню при температуре 80°C в течение 4 час. Затем полученный продукт охлаждали до комнатной температуры, и в этом полимерном растворе растворяли 1 г сшивающего агента (лимонную кислоту) и далее продолжали перемешивание при  температуре 50°С в течение 5 час.

Массовое соотношение ГИПАНа и лимонной кислоты составляло 100:1. После завершения процесса сополимеризации с целью удаления избыточной влаги из образовавшегося продукта его на определённое время помещали в термостат при температуре 50°С.

Процесс полимеризации ГИПАНа с формалином и влияние на эту реакцию лимонной кислоты изучен методом ИК-спектроскопии с помощью прибора Shimadzu IR-100 (Japan).

Полученные результаты и их обсуждение

Анализ ИК-спектров полученного продукта показал (рис.1), что в них наблюдается полоса поглощения при длине волны 1492 см^-1, которая может быть отнесена к деформационным колебаниям карбонильных групп акрилатного звена. Полосы поглощения ОН-групп в структуре могут поглощаться при 3618–3620 см^-1.

Как видно из данных ИК-спектроскопии,  на кривых имеются полосы поглощения в области 3220 см⁻¹, указывающие на присутствии в составе исходных веществ функциональных групп -ОН и –СОNH₂. Наличие этих групп в  продукте реакции свидетельствуют о том, что вступившие в реакцию  исходные вещества прореагировали не полностью и процесс полимеризации произошёл лишь частично. В ИК-спектрах также содержится полоса поглощения в области 1662 см^-1, соответствующая -NH- группам.

Рисунок 1. ИК-спектры гидрогеля

В спектрах полученного гидрогеля обнаружено наличие пика поглощения в области 1429 см^-1, который может быть отнесён к деформационным колебаниям карбонильных групп акрилатного звена. Это, по всей вероятности, связано с тем, что произошла реакция между ОН-группами лимонной кислоты и карбамидной группой ГИПАНа. После завершения процесса сополимеризации первоначальные характерные пики поглощения -ОН-групп, содержащиеся в лимонной кислоте, и амидные группы -CONH₂ подверглись определённым изменениям. На основании полученных результатов ИК-спектроскопических исследований высказано предположение, что между гидроксильными группами лимонной кислоты и группой -CONH₂ акриламидной цепи происходит химическое взаимодействие, которое приводит к формированию пространственой сетчатой структуры макромолекул, а также возникновению водопоглощающей группы образующегося конечного полимерного продукта.

Показано, что в результате реакции сополимеризации ГИПАНа с формальдегидом происходит образование химической связи следующего типа, а именно: -CH₂=CH₂-CO-NH-CH₂-NH-CO-CH=CH_2. В спектрах конечного продукта наблюдаются полосы поглощения в области 3010 см⁻¹, соответствущие растяжению групп -CH₂, и пик поглощения при 1429 см^-1, относящийся к группе -СО₂.

Выводы. Результаты проведённых ИК-спектроскопических исследований процесса полимеризации ГИПАН с формалином свидетельствуют о том, что по ходу реакции  содержащиеся в лимонной кислоты гидроксильные группы вступают в химическое взаимодействие с карбамидными группами ГИПАНа. Благодаря эффективному влиянию инициатора карбамидные CONH₂-группы  вступают в реакцию с функциональными группами -CHO и -COH, в результате чего происходит сополимеризация между исходными веществами. Под воздействием сшивающего агента (лимонной кислоты) возникают поперечные связи между полимерными цепями макромолекул с образованием трехмерной сетчатой структуры полимера. Кроме того, свободные СООН-группы лимонной кислоты и гидроксильные и карбамидные группы способствуют повышению набухающей способности  нового гидрогеля, полученного на основе доступного местного сырья.

Список литературы:

1. Д. Шеркузиев, М. Юсупов, О. Аскарова Получение суперабсорбирующих полимеров на основе местного сырья // Материалы XXXVI Международной научно-практической интернет-конференции «Тенденции и перспективы развития науки и образования в условиях глобализации» 30 мая 2018г. Переяслав-Хмельницкий - 2018, с. 517 -522.

2. Ш.Ш. Ширинов, А.Т. Джалилов Исследование кинетики набухания синтезированных гидрогелей на основе гидролизованного полиакрилонитрила. Москва. №3 (45). Март 2018 г.

3. Шеркузиев Д.Ш., Арипов Х.Ш., Мамадрахимов А., Махмудова М. Разработка технологии получения новых гидрогелей для сельского хозяйства / научный журнал ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ. Новосибирск, - 2019 - №9(10). -С. 25-29.

4. Шеркузиев Д.Ш., Арипов Х.Ш., Аскарова О.К., Махмудова М. Технология получения новых гидрогелей комплексного действия для сельского хозяйства// Universum: технические науки: научный журнал. – № 4(73). Часть 2. М., Изд.  «МЦНО»,  2020.  –  С. 39-43.

5. Makhmudova M., Shermamatov E.A., Sherkuziev D.Sh., Aripov Kh.Sh. Study of the biological properties of soils treated hydrogel/ EURASIAN SCIENTIFIC CONGRESS Abstracts of I International Scientific and Practical Conference, Barcelona, Spain, 27-28 January 2020, -P. 265-269.

6. Sherkuziev D.Sh., Shirinov Sh.D.,Yusupov M.O., Asqarova O. Hydrogel production of new   generation based on local raw materials. European Sciences review //Scientific journal № 11–12 2018 (November–December) Volume 1,Vienna, Austria. – С. 141-145.

7. Sherkuziev D. Sh., Aripov Kh. Sh., Makhmudova M.A., Abdukhakimov T.T. The effect of the hydrogel on mechanical composition and agrochemical properties of non-irrigated soils/ PERSPECTIVES OF WORLD SCIENCE AND EDUCATION, Abstracts of V International Scientific and Practical Conference, Osaka, Japan, 29-31 January 2020. –P. 859-863.

8. Li Yuhui, Huang Guoyou, Zhang Xiaohui, Li Baoqiang, Chen Yongmei, Lu Tingli, Lu Tian Jian, Xu Feng. Magnetic hydrogels and their potential biomedical applications. Adv Funct Mater 2013; 23(6):660–72.

9. Wen Zhao, Xing Jin, Yang Cong, Yuying Liu, Jun Fu. Degradable natural polymer hydrogels for articular cartilage tissue engineering. J Chem Technol Biotechnol 2013; 88(3):327–39.

10. Turakhiya Jignesh M, Savani Hitesh D, Patel Jainish M, Akbari Bhavesh V, Prajapati Neha G, Shah Vyoma S. A review superporous hydrogel (SPH) – an approach for controlled drug delivery. Univ J Pharm 2013:2(1):47–58.