Прислать материал
Исследование структуры полимер-полимерных комплексов различного состава методом атомно-силовой микроскопии
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить процесс кооперативного взаимодействия исходных полимеров и доказать образование интерполимерных комплексов;
- изучить последовательное взаимодействие неионогенного полимера и поликарбоновой кислоты при различном рН среды методом атомно-силовой микроскопии;
- изучить состав и структуру образованных интерполимерных комплексов методом инфракрасной спектроскопии.
В настоящее время изучение процессов взаимодействия между комплементарными макромолекулами с образованием полимер-полимерных (интерполимерных) комплексов продолжает являться одной из актуальных задач химии и технологии полимеров. Способность противоположно заряженных полиэлектролитов образовывать интерполимерные комплексы (ИПК) дает возможность создания на их основе различного рода материалов и покрытий, в том числе так называемых «умных» материалов, обладающих уникальными свойствами, благодаря которым подобные материалы могут обратимо реагировать на незначительные изменения свойств среды. Таким образом, становится очевидна привлекательность и перспективность научных исследований в данной области.
В качестве основных комплексообразующих веществ для получения полимер-полимерных комплексов двойного состава в работе использовали полиакриловую кислоту (ПАК) и поливиниловый спирт (ПВС).
В качестве основных методов анализа процесса комплексообразования в работе были использованы методы потенциометрии, турбидиметрии, атомно-силовой микроскопии и ИК-спектроскопии.
Метод потенциометрического титрования основан на определении точки эквивалентности, вблизи которой происходит резкое изменение потенциала индикаторного электрода, когда хотя бы один из участников реакции титрования задействован в электродном процессе.
Метод турбидиметрического титрования (метод анализа мутных сред) основан на измерении интенсивности поглощённого света – оптической плотности. Турбидиметрические измерения проводят в проходящем свете с помощью визуальных, фотоэлектрических колориметров и турбидиметров.
Метод атомно-силовой микроскопии (АСМ) позволяет изучить локальные особенности взаимодействия между зондом и поверхностью образца и на основе полученных данных делать выводы о структуре поверхности.
Метод ИК-спектроскопии основан на пропускании инфракрасного излучения через образец. Длины волн, при которых наблюдается максимальное поглощение ИК-излучения, свидетельствуют о наличии в молекулах образца тех или иных функциональных групп.
Исходя из цели, поставленной в работе, необходимо было получить интерполимерные комплексы в различной области рН и исследовать процесс комплексообразования методом атомно-силовой микроскопии.
В работе методом турбидиметрии и потенциометрии был рассмотрен процесс комплексообразования для системы ПАК-ПВС и установлено критическое значение рН.
Из полученных данных следует, что при переходе к кислым средам при сливании растворов поликарбоновых кислот и неионогенных полимеров образуются полимер-полимерные комплексы. Результаты исследования подтверждают наличие кооперативного взаимодействия между ПАК и ПВС, посредством сетки водородных связей.
Можно было предположить, что образования комплексного соединения происходит в несколько этапов: смешение исходных растворов полимеров, образование ассоциатов, образование нестехиометрического поликомплекса, формирование стехиометрического полимер-полимерного комплекса.
На каждом из этапов образования ИПК получается определённая структура, различающаяся не только по химическому составу, но и по характеру термодинамического сродства, что не могло не отразиться на свойствах поверхности плёнок, отлитых на разных этапах формирования ИПК.
Для изучения структуры поверхности пленок был применен метод атомно-силовой микроскопии, позволивший сделать ряд предположений и выводов о прохождении процесса комплексообразования между ПАК и ПВС.
При условии одинакового метода формировании полимерных плёнок и при прочих равных условиях структура и свойства поверхности поликомплексов сильно отличаются от структуры и свойств поверхности исходных полимеров, что можно объяснить только образованием нового высокомолекулярного соединения, утратившего свойства индивидуальных компонентов и получившего новые свойства.
Процесс комплексообразования происходит в несколько этапов: смешение растворов исходных полимеров, образование ассоциатов между исходными полимерами и молекулами воды посредством водородных связей, адсорбция поликислоты на неионогенном полимере с образованием нестехиометрического поликомплекса, формирование стехиометрического полимер-полимерного комплекса равновесной структуры.
Процесс комплексообразования между полиакриловой кислотой и неионогенным полимером можно рассматривать по аналогии с процессом фазового разделения в системе аморфный полимер-растворитель.
Изучив полученные в результате ИК-спектроскопии характеристики плёночных систем при проведении процесса комплексообразования, можно с уверенностью сказать, что образование ИПК происходит постадийно и проходит через так называемый максимум, соответствующий рНкр комплексообразования. Этот экстремум можно соотнести с моментом инверсии фаз у низкомолекулярных соединений, а также критической концентрацией зародышей обеих фаз при фазовом разделении в системе аморфный полимер-растворитель.
Коваленко Г.М. Разработка усл. пол-ия интерполимерных комплексов в бинарных р-лях и возможностей их прим-ия: дис. канд. техн. наук: 05.17.06 // Москва. - 2011.- 136 с.
Володько А.В. Полиэлектролитные комплексы хитозан-каррагинан: дис. канд. хим. наук: 02.00.10 // Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН. Владивосток. - 2014. - 137 с.
Кабанов В.А. Физико-химические основы и перспективы применения растворимых интерполиэлектролитных комплексов (обзор) // Высокомолек. соед. - 1994. - Т. 36. - № 2. - С. 183-197
Кабанов В.А., Зезин А.Б. Водораств. нестехиом. полиэлектролитные комплексы – новый класс синт. полиэлектролитов // Итоги науки и техники. - 1984. - Т. 5. - С. 131-189
Зезин А.Б., Рогачева В.Б. Полиэлектролитные комплексы // Усп. хим. - 1973. - С. 3-30