АКРИЛОВЫЕ ГИДРОГЕЛИ В КАЧЕСТВЕ ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ
Специальность: 05.17.06 –
Технология и переработка полимеров и композитов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Санкт – Петербург
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики, и в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском технологическом институте (Техническом университете).
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Чешко Илья Данилович
доктор химических наук, профессор
Ловчиков Владимир Александрович
доктор технических наук, профессор
Алексеев Александр Гаврилович
Ведущая организация: ФГУП НИИСК им. акад. С.В. Лебедева
Защита диссертации состоится «20 » мая 2009 г. в 15 часов на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.230.05 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт–Петербургский государственный технологический институт (технический университет)» по адресу: 190013, Санкт–Петербург, Московский проспект, д. 26.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт–Петербургского государственного технологического института (технического университета).
Отзывы и замечания в одном экземпляре по данной работе, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190013, Санкт–Петербург, Московский проспект, д. 26, СПбГТИ (ТУ), Ученый Совет.
Тел. 494-93-75; факс: 712-77-91; E-mail: dissovet@lti.gti.ru
Автореферат разослан «____» __________ 200____ г.
|
|
Ученый секретарь Совета Д 212.230.05,
кандидат химических наук, доцент Е. К. Ржехина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ
В последние годы в современных технологиях востребованы полимерные материалы нового поколения, которые не только обладают теми или иными физико-химическими свойствами, но и способны целенаправленно изменять свои характеристики в зависимости от внешних условий в процессе эксплуатации. Такие полимерные системы называют «умными» или «чувствительными», т.е. способными реагировать на изменения параметров окружающей среды, таких как: рН, ионной силы раствора, температуры или электромагнитного воздействия и т.д.
Особое внимание исследователей уделено редкосшитым полиэлектролитам, так называемым супервлагоабсорбентам или гидрогелям. Благодаря комплексу варьируемых уникальных свойств супервлагоабсорбенты нашли на мировом рынке самое широкое применение в медицине, промышленности, сельском хозяйстве, при решении водных и экологических проблем. Однако, большинство полимерных абсорбентов, обладая высокими абсорбционными характеристиками, имеют неприемлемые при эксплуатации физико-механические свойства, что существенно ограничивает потенциальные возможности их применения, например, при создании материалов заданной формы.
К наиболее существенным недостаткам акриловых гидрогелей также относят: неустойчивость влагопоглощающих материалов при повышенных температурах (акриловые гидрогели устойчивы до 35 °С); низкую скорость набухания; высокую чувствительность к изменению ионного состава и рН растворов (набухание в дистиллированной воде составляет в среднем до 2000 г/г, а в водных растворах солей одновалентных металлов уже – до 100 г/г в зависимости от условий синтеза и условий хранения образца).
|
|
Поэтому создание материалов многофункционального назначения, лишенных вышеуказанных недостатков, с прогнозируемыми свойствами, является актуальным. Одним из способов решения поставленной задачи является модификация уже известных акриловых абсорбентов: как полимерной матрицы, так и использование неорганических наполнителей. Так, введение в состав полимерной цепи сульфо-, фосфатных и других кислотных групп улучшает водоабсорбционные свойства гидрогелей в солевых растворах моно- и поливалентных металлов, а включение азотсодержащих гетероциклических фрагментов не только приводит к повышению абсорбционной способности материалов в водных растворах электролитов, но и к понижению горючести и увеличению прочности этих материалов.
Создание полимерных композиций также позволяет получать материалы с новым комплексом физических и механических свойств, определяемых микрогетерогенностью системы и фазовыми взаимодействиями на границе раздела фаз полимер – наполнитель, т.е. в том случае, когда конструкционные ресурсы полимерной матрицы уже исчерпаны. Например, использование в качестве модификаторов полимерной матрицы стеклянных наполнителей позволяет решить комплекс поставленных задач от повышения деформационно-прочностных характеристик до получения материалов заданной геометрической формы, а создание нанокомпозиционных материалов приводит к возникновению целого ассортимента новых «интеллектуальных» полимерных материалов. Недостаточная изученность сеточной структуры акриловых супервлагоабсорбентов и композиций на их основе и взаимосвязи между составом и физико-химическими и механическими свойствами абсорбирующих материалов препятствует расширению возможностей их применения, что делает этот вопрос крайне актуальным.
|
|
Данная работа являлась частью исследований, проводимых при поддержке Министерства образования РФ «Фундаментальные исследования в области технических наук» (грант № 05–08–333–49–А «Новые рациональные методы получения тетразолсодержащих мономеров и полимеров для нанокомпозитов и материалов медицинского назначения» и 2000/2002 года по фундаментальным исследованиям в области технических наук, шифр гранта ТОО-9.2.-2078, № гос. рег. 01.2.00103042 «Акриловые тетразолсодержащие иммобилизанты и супервлагоабсорбен-ты»); Министерства образования и научных исследований Германии в рамках проектов «Новые нанокомпозиционные материалы как химические сенсоры на основе низко– и высокомолекулярных индикаторов» («Neue photonische Nanokompositmaterien für chemische Sensoren auf der Basis einzel– und polymolekularen Indikatoren») (номер проекта RUS 03/010) и «Стекло-гелевые нанокомпозиты: новые материалы для создания умных чернил с целью защиты от подделок жидкостей и твердых тел» («Glas-Gel-Nanokomposite: Neue Materialien für intelligente Tinten zur fälschungssicheren Markierung von Flüssigkeiten und Festkörpern») (RUS 05/A18), международной программы образования в области точных наук (ISSEP) ДДФ Фаундейшн «Грант Санкт-Петербурга – 2004».
Цель настоящей работы – создание акриловых полимерных матриц и композиционных материалов на их основе многофункционального назначения, целенаправленно изменяющих свои характеристики при изменении состава, условий синтеза и параметров окружающей среды.
В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
1) изучение макрокинетики процесса радикальной сополимеризации акриловых гидрогелей, разработка эффективных, теоретически обоснованных методов регулирования состава, топологической структуры и свойств получаемых материалов;
2) установление влияния условий гелеобразования на закономерности формирования акриловых гидрогелей;
3) обоснование и разработка принципов создания полимерных композитов на основе стеклянных и углеродных наполнителей, установление закономерностей процесса синтеза и формирования полимерных матриц в присутствии наполнителей, а также исследования их физико-химических характеристик;
4) исследование качественных и количественных характеристик акриловых полимерных матриц на основе исследования их структуры и свойств для создания материалов с широким комплексом потребительских свойств;
5) выявление характера воздействия наполнителей на термическую стабильность и горючесть полимерных композитов;
6) исследование полученных полимерных композиционных материалов на совместимость с живым организмом.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Развиты представления о путях создания полимерных материалов, обладающих высокими абсорбционными и физико-механическими характеристиками, которые послужили основой для получения и выпуска новых типов полимеров и композитов многофункционального назначения.
В работе впервые:
1) развит новый подход к созданию высокоэффективных «умных» влагопоглощающих материалов нового поколения на основе фосфор- и азотсодержащих сомономеров, обеспечивающих требуемые физико-химические и эксплуатационные характеристики;
2) установлены кинетические закономерности протекания гелеобра-зования в системах акриловая кислота (АК) – 3-хлор-1,3-бутадиен-2-фосфиновая кислота (БФК) – N,N’-метилен-бис-акриламид (МБАА); акри-ловая кислота – 2-метил-5-винилтетразол – N,N’-метилен-бис-акриламид; акриловая кислота – 5-винилтетразол – N,N’-метилен-бис-акриламид и в гетерогенной системе мономер – полимерная матрица – наполнитель;
3) исследованы, разработаны и научно обоснованы физико-химические закономерности создания полимерных материалов с прогнозируемыми свойствами;
4) установлены сорбционные закономерности и разработаны математические модели набухания для систем тетразол- (ТАС) и фосфорсодержащих акриловых сополимеров в зависимости от ионной силы раствора, что позволило развить концепцию программирования характеристик новых полимерных материалов;
5) обнаружено отсутствие дискретного фазового перехода при набухании в водных растворах поливалентных металлов с концентрацией до 0,1 М для фосфор- и тетразолсодержащих сополимеров, что свойственно для акриловых абсорбентов, а также высокие абсорбционные характеристики тетразол- и фосфорсодержащих акриловых сополимеров; впервые показано, что суперабсорбенты, содержащие гетероциклические звенья, при концентрации ионов металлов менее 10–4 М работают в режиме сорбции молекул растворителя; при большей концентрации – в режиме сорбции ионов металлов; определены следующие ряды: абсорбционной способности акриловых сополимеров, содержащих звенья: 2-метил-5-винилтетразол > 5-винилтетразол > акриловая кислота и сорбционной активности металлов для ТАС: Cu(II)>Со(II)>Ni(II);
6) изучено влияние модификаторов: фуллерена и алюмо- и боросиликатных стеклосфер на структуру и свойства полимерных композитов;
7) выявлены закономерности старения полученных гелей во время хранения;
8) разработаны методы получения биоактивного раневого покрытия с высокой сорбционной активностью по отношению к жидкостям (лимфе, моче, экссудату и т.д.).
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ
В работе сформулированы основные направления создания новых акриловых абсорбентов и композитов на их основе многофункционального назначения, в которых модификация приводит к существенному улучшению функциональных и эксплуатационных характеристик.
Разработаны методики получения абсорбирующих материалов, обладающих достаточной механической прочностью и высокой сорбционной способностью для очистки промышленных стоков от ионов би- и поливалентных металлов.
Показана возможность создания трудногорючих композиционных полимерных материалов для получения огнезащитных конструкций и регуляторов влажности в крупногабаритных объемах. Разработан и апробирован в условиях опытного производства СКТБ «Технолог» процесс их получения. Класс горючести новых композиционных материалов Г–1. Получено положительное заключение ФГУ ВНИИПО МЧС России.
Разработанные биоактивные раневые покрытия могут быть использованы в качестве сорбирующих повязок при местном лечении поверхностных, инфицированных и гнойных ран, а также гранулирующих ран после ожогов. Проведенные, совместно с ВМА им. С.М. Кирова, исследования показали, что местное применение биологически активного фуллерен-содержащего раневого покрытия, предупреждает осложненное течение раневого процесса, на 20 - 25% сокращает длительность заживления ран и может быть рекомендовано также для лечения гнойно-некротических процессов, трофических язв и пролежней. Выпущена опытная партия раневых повязок на основе новых композиционных материалов.
Подтверждена высокая эффективность предложенных водопоглощающих материалов в качестве регуляторов роста растений и «искусственной» почвы в районах с засушливым климатом.
Практическая значимость некоторых частей работы и предлагаемых технических решений подтверждена патентом РФ и актами испытаний.
Материалы диссертации обобщены в учебно-методических пособиях А.В. Игруновой, Н.В. Сиротинкина, М.В. Успенской «Акриловые гидрогели» и В.А. Островского, Н.В. Сиротинкина, М.В. Успенской «5-аминотетразол и его производные» и используются в лекционных курсах на инженерно-физическом факультете СПбГУИТМО; разработанные экспериментальные методики используются в лабораторном практикуме по химии ВМС в СПбГТИ (ТУ).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные положения диссертационной работы были представлены на международных, всероссийских и региональных конференциях, конгрессах, форумах и симпозиумах, в том числе на Всероссийской конференции «Сенсор–2000» (Санкт–Петербург, 2000); международной научно-технической конференции «NATO advanced research workshop on the disordered ferroelectrics» (Kiev, Ukraine, 2003); международной научно-технической конференции «Полимерные компо-зиты – 2003» (Гомель, 2003); научно-практической конференции «Теория и практика электро-химических технологий. Современное состояние и перспективы развития» (Екатеринбург, 2003); IX International Conference ‘The problems of salvation and complex formation in solutions’ (Plyos, 2004); на VI Всероссийской научно-технической конференции «Теплофизика процессов горения и охрана окружающей среды» (Рыбинск, 2004); Международном оптическом конгрессе «Оптика XXI век» (Санкт – Петербург, 2004, 2006); Gesellschaft Deutscher Chemiker konf., Fortschritte bei der Synthese und Charakterisierung von Polymeren, (Düsseldorf, 2004); международной конференции ICONO/LAT (Санкт – Петербург, 2005); IX международной конференции по химии и физикохимии олигомеров «Олигомеры IX» (Одесса, 2005); XVI международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 2006); VI международном молодежном научном форуме «Экобалтика–2006» (Санкт–Петербург, 2006); Всероссийском симпозиуме «Эффекты среды и процессы комплексообразования в растворах», (Красноярск, 2006); III Всероссийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология» (Санкт–Петербург–Хилово, 2006); III Всероссийской научной конференции «Физико-химия процессов переработки полимеров» (Иваново, 2006); международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики (Санкт–Петербург, 2006); VI Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2006); Российской школе–конференции «Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения» (Белгород, 2006); XVII «Петер-бургских чтениях по проблемам прочности»(Санкт–Петербург, 2007).
Результаты работы были представлены и обсуждены на заседаниях Санкт – Петербургского семинара «Проблемы синтеза, переработки и применения полимерных материалов» Российского химического общества им. Д.И. Менделеева (Санкт – Петербург, 2003, 2007), а также немецко-российских семинарах.
Достоверность научных положений и выводов, приведенных в диссертационной работе, базируется на применении современных методов исследования полимеров, таких как ИК, 13С, 31Р, 1Н ЯМР – спектроскопии, методов электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии, дифференциально-термическому анализу, дифференциально-сканирующей колориметрии, ренгеноструктурный, элементный и рентгено-флуоресцентный анализы, эллипсометрии, а также широким использованием математико-статистических методов обработки результатов. В работе были использованы современные физические концепции – фрактальный анализ и теория перколяции.
Публикации
Основные результаты исследований изложены в 82 публикациях и обобщены в монографии "Тетразолсодержащие акриловые полимеры", общим объемом 6,6 усл. п.л., материалах конференций, конгрессов, симпозиумов, форумов, научных трудах институтов, а также журналах: «Журнал прикладной химии», «Журнал общей химии», «Пластические массы», «Оптика и спектроскопия», «Химическая промышленность», «Жизнь и безопасность», «Материалы. Технологии. Инструменты», «Научно-технический вестник СПбГУИТМО».
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 374 наименований, приложений. Диссертация изложена на 318 страницах и содержит 86 рисунков и 59 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрены известные подходы к решению проблемы создания полимерных материалов с высокими абсорбционными и физико-механическими характеристиками, проанализированы достоинства и их недостатки, проведен критический анализ отечественной и зарубежной литературы, отражающей современное состояние исследований в этой области, что позволило определить цели и задачи работы, а также выбрать объекты исследования.
Во второй главе представлены объекты исследований, экспериментальные методы и методики расчета. В качестве объектов исследования выбраны:
5-винилтетразол 2-метил-5-винилтетразол; 3-хлор-1,3-бутадиен-2-
(ВТ) (МВТ) фосфиновая кислота(БФК)
· Сшитые сополимеры на основе акриловой кислоты и 3-хлор-1,3-бутадиен-2-фосфиновой кислоты (АК – БФК);
· Тетразолсодержащие акриловые сополимеры на основе акриловой кислоты и 5-винилтетразола (АК – ВТ) и акриловой кислоты и 2-метил-5-винилтетразола (АК – МВТ);
· Композиции на основе акриловых абсорбентов и стеклосфер (алюмосиликатных и боросиликатных);
· Композиции на основе тетразолсодержащих акриловых сополимеров (АК – МВТ) и фуллеренов;
· Бинарные композиции на основе сшитой полиакриловой кислоты и алюмосиликатных стеклосфер и фуллеренов.