Современным направлением развития химии и материаловедения является создание материалов с мезопористой структурой, которые применяются в нефтехимии, медицине, пищевой промышленности.
Мезопористые полимерные материалы на основе блок-сополимеров являются перспективными для исследования их в качестве материала, обладающего газопроницаемостью и адсорбированием органических молекул в процессах культивирования микроорганизмов. Создание полимеров с сорбционными и газопроницающими свойствами, применяемыми для культивирования микроорганизмов — сложная практическая задача.
Ключевые слова: полимеры, мезопористые материалы, культивирование
Полимеры — это вещества, молекулы которых состоят из многих элементарных звеньев одинаковой структуры и называются макромолекулами. Природные формы полимеров существуют миллионы лет. Это древесина, хлопок, целлюлоза, крахмал и т. д. В пятнадцатом веке Христофор Колумб заметил, что индейцы Южной Америки используют некую твердую упругую массу, полученную из млечного сока дерева, которые они называли плачущим. Это был материал, названный впоследствии полимером, без которого невозможно представить нашу сегодняшнюю жизнь. Нашу современную, да и будущую жизнь вообще нельзя представить без полимеров.
Целью нашего исследования является получение и изучение мезопористых полимерных материалов для культивирования микроорганизмов. Для достижения поставленных целей нам потребовалось решение следующих задач — это получение полимерных пленок, а также исследование различных свойств этих пленок для дальнейшего использования их в процессе культивирования.
Существует ряд методов получения пористых материалов:
- Термическая обработка компактного материала, сопровождающаяся удалением из него летучих продуктов или даже кристаллогидратной воды- получение пористых активных углей или цеолитов. Термической обработкой различных полимеров получают высокопористые угли (например, сарановые угли, представляющие собой продукты пиролиза поливинилиденхлорида).
- Введение в полимер специальных веществ-порофоров, которые при определенных условиях разлагаются с образованием газообразнх продуктов, вызывающих «раздувание» полимера, с последующим закреплением созданной пористой структуры.
- Насыщение полимера газом (обычно азотом) под высоким давлением (≈20 МПа) с последующим снятием давления. При этом давление, созданное внутри пластины, вызывает ее «раздувание» и образование пор. Размеры этих пор зависят от пластичности материала, т. е. от его податливости и режима сброса давления. Это один из способов получения губчатых ячеистых резин.
- Введение в мономеры суспензий органических или неорганических твердых веществ с определенными размерами частиц с последующим их удалением из готового полимера.
- Проведение синтеза полимера или формования изделия в присутствии растворителя с последующим его удалением, после чего в полимере остаются полости достаточно больших размеров, ранее занятые растворителем. При удалении растворителя (сушке) из набухших студней, или гелей большую роль играют усадочные напряжения, приводящие к возникновению усадочных деформаций и к «стягиванию» структурного каркаса, т. е. к усадке всего материала. В результате усадочных напряжений в процессе высыхания тело может сжиматься в 8–20 раз. При этом в пористых телах происходит сближение стенок пор, а в некоторых случаях — полное их закрывание.
- Инклюдирование, или последовательная замена хороших растворителей на плохие. Этот метод применяется для получения рыхлых полимеров, например для разрыхления целлюлозы. Пористая структура получается всегда при выливании раствора полимера в хорошем растворителе в осадитель.
- Пористую структуру можно создать путем так называемой лиофильной сушки. Этот метод состоит в замораживании раствора полимера при температуре жидкого азота и вакуумировании его при этой температуре. Растворитель сублимируется, а замороженная структура полимера сравнительно мало изменяется.
Для реализации поставленной нами цели проводились исследования по получению полимерных пленок, состоящие из различного соотношения силоксануретанового блока-сополимера и 2,4-толуилендиизоцианата. Синтез полимера проходил в присутствии растворителя (толуола) с последующим его удалением, после чего в полимере остаются полости достаточно больших размеров, ранее занятые растворителем. Таким образом, пористая структура полимера получается при удалении растворителя из раствора.
Физико-химические свойства полимера зависят от химического состава полимера, влияния на полимер изменений температуры, влаги.
В нашем исследовании мы провели оценку водопоглощения полимерной пленки. Подготовительный образец взвешиваем (m1), затем погружаем в сосуд таким образом, чтобы слой воды над ним был не менее 50 мм и выдерживаем в течение определенного времени (на 1ч, 24 ч), после чего его извлекаем, удаляем капли воды с поверхности образцов и взвешиваем (m2). Определяем водопоглощение по формуле В=100 х (m2-m1)/m1. Так мы определяем водопоглощение каждой полимерной пленки и проводим оценку изменений массы и размеров полимерных пленок в соответствии с рисунками 1, 2.
Рис. 1. Изменение массы полимера при водопоглощении через 1 ч и 24 ч
Рис. 2. Изменение размеров полимера при водопоглощении через 1 ч и через 24 ч
Состав полимерных пленок с наибольшими значениями водопоглощения представлены в таблице 1.
Таблица 1
Перечень полимерных пленок снаибольшим значением водопоглощения через 24 часа
|
№образца |
Состав полимерной пленки |
Водопоглощение по массе через 24 ч,% |
Процентное изменение размера полимерной пленки через 24 ч,% |
|
1 |
[2Б-30]: [Д4]: [ТДИ]= 1:2:5 |
48,4 |
12,5 |
|
7 |
[2Б-30]: [Д4]: [ТДИ]= 1:5:5 |
50,0 |
6,7 |
|
15 |
[2Б-30]: [Д4]: [ТДИ]= 1:10:5 |
68,2 |
3,6 |
|
20 |
[2Б-30]: [Д4]: [ТДИ]= 1:15:5 |
76,5 |
16,7 |
|
27 |
[2Б-30]: [Д4]: [ТДИ]= 1:15:8 0,4 % геля |
52,4 |
7,1 |
|
33 |
[2Б-30]: [Д4]: [ТДИ]= 1:15:8 1 %геля |
49,4 |
4,5 |
Из полученных результатов можно сделать следующие выводы:
− полимерные пленки будут хорошо поглощать воду в ферментере, что будет оказывать благоприятное влияние на процесс культивирования;
− при водопоглощении происходит незначительное изменение размеров полимерных пленок;
− из всех исследованных образцов, только полимерная пленка, имеющая состав [2Б-30]: [Д4]: [ТДИ]=1:10:5, обладает максимальным значением водопоглощения (68,2 %) при минимальном изменении своих размеров.
Литература:
- Гулгезли Алескер, Хейрабади Газаля. Влияние пористости на свойства материалов / М.: LAP Lambert Academic Publishing. — 2014. — 140 с.
- Dongdong Huang. Synthesis of porous materials of high mechanical strength with graphene quantum dots/ Dongdong Huang, Zihao Qin, Yongfeng Liu and others//Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.-2018.-V.358-P.100–107.
3. Aizawa T. A new method for producing porous polymer materials using carbon dioxide and a piston/ T. Aizawa //The Journal of Supercritical Fluids.-2018.-V.133-P.38–41
- Гросберг А. Ю. Полимеры и биополимеры с точки зрения физики [Текст]: учеб. для вузов/ Гросберг А. Ю., Хохлов А. Р. — М.: ИД Интеллект. — 2014. — 328 с.
- Hongkun H. Porous polymers prepared via high internal phase emulsionpolymerization for reversible CO2 capture/ H. Hongkun, L. Wenwen, M. Lamson, M. Zhong and others// Polymer.-2014.-V.55.-P.385–394
