В работе представлены результаты исследования по выбору химического вещества, которое бы снижало растворимость полиакриламида; построены графики, отображающие изменение массы композиции, которая состоит из полиакриламида и добавок разной химической природы.
Ключевые слова: полиакриламид, растворение, карбамид, хлорид натрия, аэросил, карбонат кальция.
В данное время полиакриламид (ПАА) широко используется в разных отраслях народного хозяйства – химической, горнорудной, золотодобывающей, нефтегазовой, угольной, целлюлозно-бумажной, текстильной. Он находит применение в содовом производстве, производстве шифера и асбестоцементных труб, гранулированных удобрений. Наиболее широко ПАА используют в качестве флокулянтов для очищения природных и промышленных сточных вод. [2] В последние года перспективным направлением считается использование полимера в пластической, эстетической и реконструктивной хирургии. [1]
В связи с этим возникает потребность в улучшении свойств композиций с ПАА и уменьшении растворимости для их эффективного использования.
Объект и методы исследования
Объектом исследования является композиция ПАА с добавлением различных органических и неорганических примесей. Предметом – растворимость ПАА в зависимости от используемой добавки.
Для проведения исследования был применен весовой метод. Этот метод заключается в взвешивании образцов до и после набухания и определении степени набухания ПАА. [4]
Выполняя эксперимент, полиакриламид был помещен в капроновые мешочки. К каждому из них добавлялись примеси различной химической природы: карбамид (с концентрациями 1, 30 и 50%), карбонат кальция (1%), хлорид натрия (5%), немодифицированный аэросил (1%). В течение 4 часов через равные промежутки времени образцы взвешивались. Из полученных данных было рассчитано изменение массы полимера во времени и построены кривые, отражающие это изменение.
m0 - масса исходного образца;
m - масса набухшего образца.
Постановка задания
Целью работы является выбор химического вещества, которое бы оптимально замедляло процесс растворения ПАА.
Результаты и их обсуждение
Перед тем как раствориться, ПАА начинает поглощать низкомолекулярную кислоту - карбамид, и происходит набухание. Полимер увеличивается в массе и объеме.
Набухание связано с изменением структуры полимера. На начальной стадии набухания происходит сольватация - энергетическое взаимодействие растворителя с ПАА. Растворитель разрывает часть межмолекулярных связей в полимере и образует с ним свои связи. Сольватированный растворитель, вследствие перестройки его структуры, сжимается, и его плотность увеличивается. При этом выделяется теплота гидратации. Дальнейшее набухание с поглощением больших количеств растворителя происходит уже без выделения теплоты.
Между молекулами полиакриламида и карбамида не возникает никаких
химических связей, а только появляются межмолекулярные силы
Ван-дер-Ваальса.
Набухший полимер представляет собой раствор
карбамида, и в одно время сосуществует со слоем чистого карбамида.
Подвижность молекул низкомолекулярной жидкости очень велика. При
контакте полимера с карбамидом молекулы карбамида начинают быстро
проникать в фазу ПАА, прежде всего в пространство между элементами
надмолекулярной структуры.
При этом процесс сопровождается
раздвиганием длинных цепей макромолекул, которые вследствие большого
размера очень медленно проникают в среду молекул карбамида.
Через определенный промежуток времени, когда звенья ПАА достаточно раздвинуты, они начинают медленно диффундировать в растворителе. Возникают слои более разбавленного раствора, которые сосуществуют с пластами более концентрированного раствора. Со временем концентрации обоих слоев делаются равными, слои сливаются, образуя однофазную гомогенную систему. Набухание самовольно переходит в растворение. Этот процесс заключается в отделении сольватированных макромолекул от набухшего полимера с переходом в раствор. [3]
На процесс растворения полимера влияет его природа и химическое строение. Так как звенья цепей и молекулы ПАА и карбамида близкие по полярности, то и энергия взаимодействия между молекулами примерно одинакова, что положительно влияет на процессы набухания и растворения. Образования водородных связей также способствует растворимости.
При добавлении к системе полиакриламид-карбамид хлорида натрия растворимость несколько снижается. Это связано с тем, что кристаллическое вещество значительно хуже растворяется, чем аморфное.
В молекуле полимера и карбамида избыточный отрицательный заряд ориентируется на атоме кислорода, а избыточный положительный на атоме водорода. Таким образом, ПАА и карбамид с растворами образуют водородные связи, которые слабее, чем ионные, которые свойственны хлориду натрия.
Чтобы нарушить связи в кристаллическом веществе, необходимы большие затраты энергии. Линейная структура полимеров с ответвлением функциональных групп способствует гидрофобизации ПАА. Кристаллическая решетка хлорида натрия не предусматривает протекания таких процессов.
При добавлении к ПАА аэросила растворимость намного
увеличивается.
Оксид кремния не образует структурной сетки, и
такая система ведет себя как ньютоновская жидкость. Ее вязкость
небольшая, что создает хорошие предпосылки для растворения.
Высокая удельная поверхность аэросила и наличие на поверхности частиц силанольных (≡ SiOH) и силандиольных (-Si-OROH) групп способствует адсорбции воды.
При введении в систему карбоната кальция растворимость, как и с
хлоридом натрия, снижается. Но в этом случае такое снижение несколько
больше.
Это можно объяснить тем, что карбонат кальция - соединение
нерастворимое, и энергия связи в молекуле выше, чем у хлорида натрия.
Для разрушения такого вида связи необходимы большие затраты энергии.
Структурная формула карбоната кальция отражает невозможность
попадания молекул воды между молекулами CaCO3.
CaCO3, взаимодействуя с функциональными группами ПАА и карбамида, образует межмолекулярные связи, замедляющие процесс растворения.
В зависимости от того, какую долю карбамида содержит система, растворимость значительно меняется.
При значительном увеличении концентрации макромолекулярные клубки начинают разворачиваться; вытянутые макромолекулы теряют свою независимость в растворителе и образуют более сложные надмолекулярные структуры. Сначала появляются ассоциаты упаковочного или фибриллярного типов, а затем возникает взаимодействие между ассоциатами с образованием структурной сетки. В такой сетке межмолекулярные связи непрерывно разрушаются и возникают. Такие концентрированные растворы являются структурированными растворами.
Структурированные растворы не подчиняются закону Ньютона, их вязкость достаточно высока. Следовательно, чем больше увеличивается концентрация добавок, тем более вязкой становится система. И в таком случае растворимость полимера становится меньше. Даже небольшое количество поперечных связей между цепями мешает отделению их друг от друга и перехода в раствор. [4]
Так как количество поперечных связей в молекуле ПАА небольшое, то молекулы низкомолекулярной кислоты - карбамида - могут проникать в фазу полимера. Это проникновение сопровождается раздвижение отрезков цепей, и полимер значительно набухает. Повышение концентрация карбамида стабилизирует макромолекулы ПАА, уменьшая их подвижность. Такое явление осложняет процесс растворения.
Выводы
1. Проанализировав полученные результаты, можно сделать заключение, что для системы, содержащей 30% карбамида, набухание намного больше, чем для образца, содержащего 1% карбамида, но растворимость указанных смесей меньше для образца, содержащего 30% карбамида.
2. При увеличении концентрации карбамида до 50% набухание возрастает еще больше, а растворимость становится меньше.
3. Для систем, наполненных оксидом кремния, карбонатом кальция, и хлоридом натрия, набухание возрастает по сравнению с исходной системой. Растворимость меньше для образца, содержащего карбонат кальция и хлорид натрия, и большая при наличии в системе оксида кремния.
4. В зависимости от концентрации карбамида в ПАА растворимость системы сильно меняется. Полученные результаты позволяют предположить, что для уменьшения растворения ПАА необходимо использовать значительные концентрации карбамида.
Литература:
Лопатин В.В. Полиакриламидные материалы для эндопротезирования и их место в ряду полимерных материалов медицинского назначения. Анналы пластической, реконструктивной и эстетической хирургии. 2000. № 3.
Куренков В.Ф. Водорастворимые полимеры акриламида. – КГТУ: Химия, 1997.
Нижник В.В., Нижник Т.Ю. Физическая химия полимеров. Учебник. – К.: Фитосоциоцентр, 2009. – 424с.
Масленникова Л.Д., Иванов С.В., Фабуляк Ф.Г., Грушак З.В. Физико-химия полимеров: Учебник. – К.: Книжное из-во НАУ, 2009.
