Физико-химические свойства системы хитозан-уксусная кислота-вода с добавкой полиэтиленоксида

Козырева, Екатерина Владимировна

Физико-химические свойства системы хитозан-уксусная кислота-вода с добавкой полиэтиленоксида тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Козырева, Екатерина Владимировна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Саратов МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Физико-химические свойства системы хитозан-уксусная кислота-вода с добавкой полиэтиленоксида»

Автореферат диссертации на тему "Физико-химические свойства системы хитозан-уксусная кислота-вода с добавкой полиэтиленоксида"

На правах рукописи

005059651

КОЗЫРЕВА ЕКАТЕРИНА ВЛАДИМИРОВНА

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ ХИТОЗАН-УКСУСНАЯ КИСЛОТА-ВОДА С ДОБАВКОЙ ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДА

02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

1 п т т

Саратов-2013

005059651

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»

Научный руководитель: доктор химических наук, доцент

Шиповская Анна Борисовна

Официальные оппоненты: Щёголев Сергей Юрьевич,

доктор химических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов» РАН (г. Саратов), директор

Демахин Анатолий Григорьевич,

доктор химических наук, профессор, Федеральное бюджетное учреждение «Государственный научно-исследовательский институт промышленной экологии» (г. Саратов), главный научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки «Институт нефтехимического синтеза имени А.В.Топчиева» РАН (г. Москва)

Защита состоится 23 мая 2013 г. в 1400 часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук Д 212.243.07 на базе Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского, по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83, корп. 1, Институт химии СГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского.

Автореферат разослан «¿0 » апреля 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор химических наук, доцент

Русанова Т.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Аминополисахарид хитозан - производное биополимера хитина - обладает комплексом биологически ценных свойств и имеет перспективы применения в самых разнообразных областях жизни человека, прежде всего, в медицине и биофармацевтике. Поскольку температура термического разложения хитозана ниже температуры его плавления, переработка данного полимера в биоматериалы всегда включает стадию растворения в органических или неорганических кислотах. Для улучшения свойств или придания новых качеств, например электропрядомости, в раствор хитозана вводят различные добавки, в частности, гибкоцепной синтетический полимер полиэтиленоксид, минимальное содержание которого в таких смесях, как правило, не превышает 5-10 мае.%. Работ, посвященных изучению свойств смесей хитозан: полиэтиленоксид с содержанием полиэтиленоксида до 5 мас.%, крайне мало. Между тем, чем меньше содержание синтетического компонента, тем выше биосовместимость и биодеградируемость конечного продукта.

В последние годы отмечается зависимость данных функциональных качеств биоматериала от физико-химических параметров системы хитозан-полиэтиленоксид-уксусная кислота-вода. Это предопределяет важность исследования корреляционных связей у широкого спектра свойств: реологических, электрокинетических, поверхностно-энергетических, оптических. Для выяснения механизма взаимодействия компонентов необходима оценка гидродинамического поведения макромолекул в разбавленных растворах смесей этих полимеров. Первостепенное значение имеет и определение концентрационных границ фазовых состояний полимерной смеси, определяющих оптимальные условия получения конденсированной системы (пленки, волокна) с заданными свойствами.

Кроме того, растворы хитозана характеризуются понижением вязкости во времени, что затрудняет их исследование и оказывает значительное влияние на прикладные свойства. А отсутствие единого мнения о причинах такой нестабильности осложняет интерпретацию экспериментальных данных и поиск условий стабилизации системы. В этой связи актуально комплексное изучение физико-химических свойств смесей хитозана с полиэтиленоксидом не только в широком концентрационном интервале растворов полимеров и кислоты, но и в процессе хранения в статических условиях.

Диссертационная работа выполнялась при финансовой поддержке гранта РФФИ №09-03-12193 офи-м (2009-2010 г.), в рамках г/б темы №01201169641 «Фундаментальные и прикладные аспекты химии сложнопостроенных синтетических и природных веществ и материалов, новые подходы к синтезу и физико-химическому анализу» (2011-2012 г.).

Цель работы - изучение физико-химических свойств системы хитозан-уксусная кислота-вода с добавкой полиэтиленоксида.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

- изучить гидродинамические свойства разбавленных растворов хитозана и его смесей с полиэтиленоксидом в уксусной кислоте в широком интервале температур, а также влияние на эти свойства состава растворителя и добавок низкомолекулярной соли (СН3СО(Жа);

- исследовать реологические параметры умеренно концентрированных водно-кислотных растворов хитозана без и с добавкой полиэтиленоксида в широком диапазоне напряжений сдвига, оценить влияние на эти свойства концентрации полимера и характеристик среды;

- измерить коэффициент поверхностного натяжения, удельную электропроводность и удельное оптическое вращение [а] растворов смесей хитозана с полиэтиленоксидом в уксусной кислоте;

- оценить стабильность физико-химических свойств водно-кислотных растворов хитозана и его смесей с полиэтиленоксидом вплоть до 40 сут хранения;

- предложить вероятный механизм взаимодействия хитозана с полиэтиленокидом в растворах, на основе которого обосновать физико-химические параметры и оптимальный состав компонентов формовочного раствора для получения двухкомпонентных волокон хитозан:полиэтиленоксид с содержанием синтетического полимера менее 5 мас.% методом электроформования, исследовать физико-химические и физико-механические свойства нетканого материала из электропряденых волокон хитозана.

Научная новизна. В работе впервые:

- исследованы гидродинамические свойства разбавленных растворов смесей хитозана с полиэтиленоксидом в уксусной кислоте разной концентрации без и с добавлением низкомолекулярной соли; показано, что определяющую роль в поведении этих растворов играет ионная сила среды;

-изучены реологические параметры умеренно концентрированных растворов, а также проведены оценки коэффициента поверхностного натяжения, удельной электропроводности и удельного оптического вращения растворов хитозана с добавкой полиэтиленоксида при содержании последнего до 5 мас.%;

- получены доказательства отсутствия деструкции гликозидных связей макромолекул полимера в процессе выдерживания водно-кислотных растворов хитозана и его смесей с полиэтиленоксидом вплоть до 42 сут хранения;

воздушно-сухого состояния; прослежено изменение морфологии полимерной системы при перемещении фигуративной точки по оси общей концентрации полимеров;

- предложен вероятный механизм взаимодействия хитозана с полиэтиленоксидом в растворах, на основе которого обоснован оптимальный состав компонентов формовочного раствора с заданными физико-химическими свойствами для получения волокон хитозана с содержанием полиэтиленоксида менее 5 мас.% методом электроформования.

Практическая значимость работы.

Полученные в работе результаты могут быть использованы для управления кинетической стабильностью водно-кислотных растворов хитозана без и с добавкой полиэтиленоксида. Установленные закономерности легли в основу технологических рецептур получения хитозанового волокна с малым содержанием полиэтиленоксида как вспомогательного полимера. По результатам работы получен патент РФ.

Материалы диссертации используются в учебном процессе при чтении лекционных курсов дисциплин «Реология полимерных систем», «Структура и свойства биоразлагаемых полимеров» в Институте химии Саратовского государственного университета.

Основные положения, выносимые на защиту:

- гидродинамическое поведение макромолекул хитозана и полиэтиленоксида в смесевых растворах уксусной кислоты определяется соотношением полимерных компонентов и ионной силой среды;

- умеренно концентрированные растворы смесей хитозан:полиэтиленоксид составов 99:1 -95:5 являются неньютоновскими жидкостями, добавки полиэтиленоксида увеличивают значения вязкости и степени структурирования растворов смесей;

- значения коэффициента поверхностного натяжения, удельной электропроводности и удельного оптического вращения растворов смесей хитозана с полиэтиленоксидом при соотношениях компонентов 99:1 -95:5 уменьшаются по мере увеличения содержания полиэтиленоксида в смеси;

- эффект падения вязкости разбавленных и концентрированных растворов смесей хитозана с полиэтиленоксидом во времени тем меньше, чем выше содержание синтетического полимера.

Авторский вклад. Экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно и обсуждены с научным руководителем работы. Электроформование волокна проводил к.т.н. Дмитриев Ю.А. (ОНИ наноструктур и биосистем СГУ, г. Саратов).

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы доложены и обсуждены на Ежегодной Всероссийской научной школе-семинаре «Методы компьютерной диагностики в биологии и

медицине - 2009» (Саратов, 2009), Всероссийской молодёжной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций (Саратов, 2009), I Всероссийской конференции «Современные методы химико-аналитического контроля фармацевтической продукции» (Москва, 2009), 25 Симпозиуме по реологии (Осташков, 2010), III Всероссийской школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых учёных по направлению «Наноматериалы» (Рязань, 2010), X Всероссийской конференции «Биомеханика 2010» (Саратов, 2010), VII и VIII Всероссийских конференциях молодых учёных с международным участием «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 2010, 2011), II конференции молодых учёных «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем» (Суздаль, 2011), 7 Европейской конференции по реологии «AERC 2011» (Суздаль, 2011), IV Международной конференции-школе по химии и физикохимии олигомеров «0лигомеры-2011» (Казань, 2011), Одиннадцатой Международной конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Мурманск, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 6 статей в журналах (из них 3 в рекомендованных ВАК изданиях), 5 статей в сборниках научных трудов, 8 тезисов докладов, получен патент РФ.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав (1 глава - обзор литературных источников по теме исследования, 2 глава - характеристика объектов и методов исследования, 3-6 главы - изложение и обсуждение полученных результатов), заключения, выводов, списка литературы из 254 наименований и приложения. Работа изложена на 201 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, указаны её цель и задачи, сформулированы научная новизна, практическая значимость проведённого исследования и положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведены современные представления о поведении макромолекул хитозана в разбавленных и умеренно концентрированных растворах. Особое внимание уделено вопросам нестабильности вязкостных свойств при выдерживании растворов во времени. Обсуждены имеющиеся сведения о поверхностном натяжении, электропроводности и оптической активности водных и водно-кислотных растворов хитозана. Разобрано взаимодействие этого аминополисахарида с синтетическими, искусственными и природными полимерами.

Подробно рассмотрен вопрос о влиянии состава и свойств раствора на процесс электроформования хитозансодержащего волокна.

Во второй главе описаны объекты и методы исследования.

Использовали хитозан (ХТЗ) со средневязкостной молекулярной массой (ММ) в диапазоне 9-700 кДа и близкой степенью дезацетилирования (-80 мольн.%), полиэтиленоксид (ПЭО) со средневесовой ММ 1000-5000 кДа. В качестве растворителей полимеров применяли водные растворы уксусной кислоты (УК) концентраций 296 мас.%, а также ацетатный буфер (АцБ) состава 0.33 M СН3СООН + 0.2 M CH3COONa. Объектами исследования выбраны разбавленные, умеренно концентрированные и концентрированные растворы, студни и плёнки ХТЗ, ПЭО и смесей ХТЗ:ПЭО в соотношении компонентов 99:1-10:90 (мас.%), нетканые материалы из элекгропряденых волокон ХТЗ:ПЭО.

Применялись методы исследования: вискозиметрия (вискозиметр Уббелоде), реология (Rheotest RN-4.1, Rheotest-1), потенциометрия (рН-150 МИ), кондуктометрия (Анион 4120), сталагмометрия, спектрополяриметрия (спектрополяриметры PolAAr 3001, СПУ-Е), электронная и оптическая микроскопия (сканирующий электронный микроскоп TESCAN MIRA II LMU, поляризационный микроскоп проходящего света ЛабоПол-2 с системой визуализации, микроскоп инвертированный биологический МИБ-Р), рентгеноструктурный анализ (дифрактометр ДРОН-3 с излучением Си-Ка при U = 22 kB и Ja = 20 мА), термогравиметрический анализ (термогравиметрический анализатор TGAQ500), физико-механический анализ (разрывная машина одноосного растяжения Tira Test 28005 с ячейкой нагружения 100 Н), сорбционно-диффузионный метод.

В этой главе приведены также экспериментальные данные по определению коэффициента поверхностного натяжения и удельной электропроводности растворителей.

Третья глава «Вискозиметрия разбавленных растворов хитозана и его смесей с полиэтиленоксидом».

Исследованы вязкостные свойства разбавленных растворов ХТЗ-200 и ПЭО-5000 (здесь и далее цифры соответствуют ММ, в кДа), а также их смесей (в всем диапазоне составов) в АцБ, 2 и 70% УК в интервале температур 25-70°С. Установлено, что для всех систем зависимость числа вязкости (г|уд/Сп) от общей концентрации раствора полимеров (Сп) имеет обычный прямолинейный характер (пример на рис. 1).

Величина предельного числа вязкости [г|] растворов ХТЗ-200 достаточно высока и уменьшается в ряду растворителей 2% УК—>70% УК—> АцБ (рис.1), что свидетельствует о различной среднестатистической конформации макромолекул хитозана в этих растворителях. В растворах УК, в силу специфического

гидродинамического взаимодеиствия макромолекул полимера с растворителем, обусловленного их сольватацией, находятся заметно более разбухшие макромолекулярные клубки, чем в АцБ. Уменьшение предельного числа вязкости с увеличением концентрации УК обусловлено повышением ионной силы растворителя, ионы которого экранируют протонированные аминогруппы хитозана, что приводит к компактизации его макромолекул. Аналогичное, но значительно более сильное действие на предельное число вязкости оказывает и добавление в растворы хитозана низкомолекулярной соли (СН3СО(Жа), приводящее к сжатию макромолекулярных клубков, (а)

Луд/Сп, дл/г

Рис. 1. зависимость

Концентрационная числа вязкости

свежеприготовленных растворов ХТЗ-200 в АцБ (а), 2% (б) и 70%-ной УК при Т= 25 (1), 35 (2), 45 (3), 60 (4) и 70°С (5).

0.20 Сп, г/дл

(В)

Т1}Д/СП. дл/г 9 ■

0.06 0.08 Сп, г/дл

0 0.02 0.04

0.06 0.08 С„. г/дл

Значения константы Хаггинса, являющейся мерой взаимодействия полимера с растворителем, для ХТЗ-200 в кислотно-солевом растворе заметно больше (0.20) по сравнению с уксуснокислыми растворами (0.04— 0.09). Последнее, а также уменьшение величины [т|], свидетельствуют об ухудшении термодинамического качества используемых низкомолекулярных жидкостей как растворителей хитозана в ряду 2% УК->70% УК —> АцБ.

Из температурной зависимости величины 1п[г)] растворов ХТЗ-200 в АцБ, 2 и 70%-ной УК были рассчитаны температурные коэффициенты

предельного числа вязкости Ът-с[[п[г\У(1Т. Для всех растворов получены отрицательные и достаточно большие по модулю значения 5г~-1.6- 1СГ2 К"1, что, наряду с высокими величинами предельного числа вязкости, говорит о повышенной жёсткости цепи хитозана.

Для всех исследуемых растворов смесей ХТЗ-200:ПЭС)-5000 в АцБ и 2 и 70% УК величины [г|] оказываются ниже аддитивных значений (рис. 2). «Отрицательное отклонение» значений [т|] растворов смесей от аддитивности может быть обусловлено образованием в растворе разных по скелетной жёсткости макромолекул хитозана и полиэтиленоксида компактных смесевых комплексов, гидродинамический объём которых меньше суммарного объёма макромолекулярных клубков индивидуальных макромолекул полимеров, (а)

[Л]

хтз

дл/г

100 80 60 40 20 0 Содержание ХТЗ в смеси,

Рис. 2. Концентрационная зависимость предельного числа вязкости свежеприготовленных растворов ХТЗ-200, ПЭО-5000 и их смесей в АцБ (а), 2 (б) и 70%-ной УК (в), Т= 25°С.

[Л]хтз,дл/г

(б)

[п1пэо' Дл/г

100 80 60 40 20 0 Содержание ХТЗ в смеси, мае. %

[п]Хтз'дл/г

(б)

[г!]пэо,дл/г

100 80 60 40 20 0 Содержание ХТЗ в смеси, мае. %

При выдерживании во времени (7-183 сут) разбавленных растворов ХТЗ-200 и его смесей с ПЭО-5000 установлено, что прямолинейный характер зависимости %,/Сп =/(Сп) сохраняется. Однако наклон прямых и значения [Г|] закономерно уменьшаются с увеличением времени выдержки растворов в статических условиях.

На рис. 3 а приведена кинетика относительного предельного числа вязкости ([т|]/[г1]^о) растворов ХТЗ-200 в АцБ и УК ([т|], и [г|],=0 -

предельные числа вязкости растворов в момент времени ?=7—183 сут и начальный момент времени Г=0 сут). Видно, что эффект понижения [г|] проявляется, в большей степени, в течение первых -20-30 сут выдерживания и в растворах полимера с меньшей концентрацией УК.

(а)

1.0

д 3', 4', 5'

150 0 10 20 30

Время, сут Время, сут

Рис. 3. Кинетика относительного предельного числа вязкости для: (а) -растворов ХТЗ-200 в АцБ (7), 2 (2) и 70%-ной УК (3); (б) - растворов ПЭО-5000 (1, П, ХТЗ-200 (2, 20 и смесей ХТЗ-200:ПЭО-5000 состава 99:1 (3, 31, 97.5:2.5 (4,4*) и 95:5 (5,50 в АцБ (1 - 5) и 2%-ной УК (Г - 50-

Вязкость растворов смесевых композиций ХТЗ-200:ПЭО-5000, а также растворов индивидуального ПЭО-5000, как и растворов ХТЗ-200, нестабильна в процессе их хранения в условиях комнатной температуры и нормального атмосферного давления. В качестве примера на рис. 3 б приведена зависимость [т^Дл]^ -ДО растворов смесей ХТЗ-200:ПЭО-5000 = 99:1-95:5 в 2%-ной УК и АцБ. Кинетика отношения [л]/=Дт|]/=о индивидуального ПЭО-5000 показывает экстремальный характер и является типичной для процессов кристаллизации полимеров. Добавка ПЭО-5000 в раствор ХТЗ-200 стабилизирует гидродинамическое поведение последнего.

Комплекс проведённых исследований позволил удостовериться, что понижение во времени вязкости растворов хитозана обусловлено, в большей степени, аномально медленным образованием внутрицепных водородных связей и конформационными перестройками макроцепей, чем реакциями разрыва (деструкции) гликозидных связей полимера. Подтверждением данного механизма уменьшения [г|] во времени могут служить результаты экспериментов, приведённые на рис. 4 а.

Экстраполяция зависимости [r|]-(l/V7) хранившихся растворов (i=7^2 сут; рис. 4 а, прямые 2-5) ХТЗ-200 в АцБ и УК на I—>со даёт то же значение [г^, что и исходных (f=0 сут, прямая 1). Это свидетельствует о том, что изменение во времени г|уд/Сп и [Т|] не связано с деструкцией полимера, поскольку при разрыве гликозидных связей и,

соответственно, уменьшении молекулярной массы хитозана значение [Г|]о, должно уменьшаться.

(а)

/, отн. ед.

(б)

дл/г

-1/2

30 40 20, град

1 / V/ , (моль/л)

Рис. 4. (а) - Зависимость предельного числа вязкости ХТЗ-200 от обратной величины квадратного корня из ионной силы растворителя (АцБ, 2% и 70%-ной УК) для свежеприготовленных растворов полимера (1) и выдержанных во времени в течение 7 (2), 14 (3), 21 (4), 42 (5) и 183 сут (б), (б) - Рентгеновские дифрактограммы исходного воздушно-сухого порошка ХТЗ-200 (1) и выделенного из системы ХТЗ-200-АцБ после ~5 лет её хранения в статических условиях (2).

Иначе выглядит зависимость [!}]-()/Л), построенная для исследуемых систем со временем выдержки 183 сут (рис. 4 а, прямая 6). Несколько меньшее значение [г)]» для Г= 183 сут, по сравнению с хранившимися в течение 7-42 сут, может быть обусловлено, по нашему мнению, фазовым разделением системы полимер—растворитель. Например, при хранении растворов хитозана в АцБ и УК более 100-150 сут наблюдали опалесценцию, а при Г >4-5 лет - выпадение твёрдых частиц полимера. Анализ структуры выделенных частиц показал, что, по сравнению с исходным порошком хитозана, показавшим частично кристаллическую структуру (рис. 4 а), для образца полимера, выделенного из его раствора в АцБ после -5 лет хранения, характерна высокоупорядоченная кристаллическая структура (рис. 4 б).

Четвёртая глава «Реология умеренно концентрированных растворов хитозана и его смесей с полиэтиленоксидом».

Исследовали реологические свойства растворов ХТЗ, ПЭО и их смесей в соотношении компонентов 99:1 - 90:10 в 70% УК.

Свежеприготовленные растворы индивидуального хитозана (рис. 5 а, кривая 1), как и растворы смесей ХТЗ-200:ПЭО-5000 состава 99:1-90:10 (кривые 2-5), являются неньютоновскими жидкостями, для которых падение вязкости с ростом напряжения сдвига наблюдается во всей исследованной области последнего.

В области сравнительно небольших напряжений сдвига (^т<3.5 [Па-10"']) вязкость растворов смесей тем выше, чем больше содержание высокомолекулярного полиэтиленоксида. Наиболее отчётливо это представлено на вставке рис. 5 а. В области же больших значений т (^т> 3.5-3.6 [Па-10"']) величины вязкости растворов индивидуального хитозана и смесей ХТЗ:ПЭО практически совпадают.

(а)

'S 4«.„LMlla-cJ

(б)

lg ti, [мПа-с]

3.5 5

3.3

3.1 . 1

lg ц, [Па-с]

3.4

0 5 10 Содержание ПЭО в смеси ХТЗ:ПЭО, мае."о

3.2

3.0

2.8

3.1

3.5

2.4 2.8 3.2 3.6 ->3 27

Igt, [Па-10"'] ' Ig т, [Па-10"']

Рис. 5. Реограммы вязкости растворов (Сп=5 г/дл) индивидуального ХТЗ-200 (7) и его смесей с ПЭО-5СЮО при соотношении компонентов ХТЗ:ПЭО=99:1 (2), 97.5:2.5 (3), 95:5 (4) и 90:10 (5) в 70%-ной УК при времени хранения 0 (а) и 7 сут (6). На вставке - зависимости величины т],^ от содержания ПЭО-5000 в растворе смеси ХТЗ-200:ПЭО-5000 для свежеприготовленных растворов (7) и выдержанных во времени в течение 7 (2), 14 (5) и 42 сут (<5).

С течением времени уменьшается значение т| растворов хитозана и их смесей с полиэтиленоксидом (рис. 5, рис. 6). В наибольшей степени эффект падения вязкости проявляется для смесей ХТЗ-200:ПЭС)-5000 когда доля ПЭО<2.5% (рис. 6 б, кривые 2, 3). При доле ПЭО 5% и выше эффект падения вязкости выражен в меньшей степени (кривые 4,5).

Л1- //Л(=0

1.0

0.8

0.6 Лч

0.4 W

0.2 0 W 1, 4

(а)

(б)

300 800 о 50 100 150 200

Время, сут Время, сут

Рис. 6. Кинетика относительного числа вязкости растворов: (а) - ХТЗ-275 концентрации Сп=2 г/дл в 4%-ной УК (7), ХТЗ-200 Сп = 5 г/дл в 70%-ной УК (2), ХТЗ-87 Сп = 2 и 3 г/дл в 2%-ной УК (3, 4); (б) - ХТЗ-200 (У) и его смесей с ПЭО-5000 в соотношении компонентов Хт3-200:п30-5000=99:1 (2), 97.5:2.5 (3), 95:5 (4) и 90:10 (5) в 70%-ной УК.

При изучении растворов хитозана без добавок полиэтиленоксида установлено, что эффект падения вязкости системы во времени тем больше, чем выше концентрация полимера в растворе (рис. 6 а, кривые 3 и 4). Однако для системы с более высокой концентрацией полимера и, одновременно, с более высокой ионной силой раствора (кривая 2) г1г=,/г|/=0 несколько ниже по сравнению с раствором с меньшими Сп и I. Таким образом, относительное понижение г| со временем тем значительнее, чем меньше концентрация кислоты в растворителе, как и в случае разбавленных растворов. Повышение ММ хитозана при прочих равных условиях, очевидно, усиливает эффект падения г| раствора (кривая 1).

На основе построения Аррениуса 1пг|—ДЛ7)"1 рассчитана кажущаяся энергия активации вязкого течения растворов хитозана ~ 28-30 кДж/моль, что типично для растворов полужесткоцепных полимеров. Оценено значение концентрации кроссовера (перекрывания полимерных клубков с формированием физической сетки флуктуационного характера) ~ 1.5 г/дл.

Проведённые исследования реологических свойств растворов индивидуального хитозана и его смесей с полиэтиленоксидом позволяют сделать вывод о положительном влиянии добавок синтетического компонента на стабильность смесевых композиций. Мы связываем такое поведение с особенностями взаимодействия разных по скелетной жёсткости макромолекул в едином растворителе, приводящими к формированию более прочной флуктуационной сетки зацеплений по сравнению с таковой, присутствующей в растворе индивидуального хитозана, что отражается на динамике вязкостных свойств растворов смесей хитозана с полиэтиленоксидом.

Пятая глава «Исследование физико-химических свойств растворов хитозана и его смесей с полиэтиленоксидом».

Поскольку основной прикладной аспект фундаментальных результатов диссертации - изыскание условий для электроформования хитозанового волокна с минимальным количеством полиэтиленоксида как вспомогательного полимера, были проведены оценки основополагающих параметров, определяющих волокнообразующую способность формовочного раствора: удельной электропроводности (у) и коэффициента поверхностного натяжения растворов ХТЗ, ПЭО и их смесей в АцБ, 2 и 70%-ной УК.

В качестве примера на рис. 7 а (кривая 1) представлена зависимость коэффициента поверхностного натяжения растворов смесей ХТЗ-200.пэ0-5000 в 2%-ной УК в широком диапазоне составов. Видно, что о нелинейно зависит от массовой доли ПЭО-5000 в смеси, рН при этом не изменяется (кривая 5). Добавки высокомолекулярного синтетического полимера до -60 мас.% в раствор ХТЗ-200 понижают значение а, а добавление более 60 мас.% ПЭО-5000 уже существенно не изменяет достигнутые значения о.

о-10\Н/м 7-1

у, мСм/см 1 6

Л.

Рис. 7. Концентрационная зависимость коэффициента поверхностного натяжения (7), удельной электропроводности (2) и рН (3) растворов ХТЗ-200, ПЭО-5000 и их смесей с Сп=0.25 г/дл в 2%-ной УК, Т= 22±2°С.

0.9-

4 . 0.6 -

0.6 - ° 3

Л.

0 -I - - 0.5 -I----2 ^-,-,-,-,-

0 20 40 60 80 100

Содержание ПЭО в смеси, мае. %

Зависимость удельной электропроводности растворов смесей ХТЗ-200 с ПЭО-5000 от содержания ПЭО-5000 в смеси во всем диапазоне составов компонентов нелинейна и проходит через минимум (рис. 7 а, кривая 2). Минимальные значения у соответствуют смесям ХТЗ-200:1130-5000 в диапазоне составов 50:50-70:30.

Для разбавленных (Сп = 0.25 г/дл) растворов ХТЗ-200 с небольшими добавками ПЭО-5000 (1-10мас.%) наибольшее понижение значений а и у наблюдается в АцБ. Далее по убыванию следует 2 и 70%-ная УК. В умеренно-концентрированных (Сп = 5 г/дл) растворах этих же смесей в 70%-ной УК а не зависит от Сп, а у незначительно понижается.

Исследование оптической активности растворов ХТЗ-200 и его смесей с ПЭО-5000 в АцБ, 2 и 70%-ной УК показало, что кривые дисперсии оптического вращения систем относятся к нормальному типу и располагаются в области отрицательных значений [а]. Добавки ПЭО не влияют ни на модуль величины, ни на знак [а].

Исследования во времени показали стабильность показателей сиу растворов всех исследованных систем как индивидуального ХТЗ, так и его смесей с ПЭО в АцБ, 2 и 70% УК. Варьирование во времени значений а и у лежало в пределах погрешности измерений. Эти факты также говорят против деструкции цепей хитозана по гликозидным связям.

Шестая глава «Структурно-морфологические исследования системы хитозан-уксусная кислота-вода с малыми добавками полиэтиленоксида».

Построены концентрационные границы фазовых состояний системы ХТЗ-200 - ПЭО-5000 - УК (70%) при массовых соотношениях полимеров 99:1-88:12 при 20°С (рис.8). Изменение фазового состояния данных объектов наблюдали в процессе медленного испарения растворителя в течение 6 месяцев.

Рис. 8. Концентрационные границы фазовых состояний системы ХТЗ-200 -ПЭО-5000 - УК (70%), Т= 20°С: 1 - область растворов, 2 и 3 - гетерогенные системы (студни и твердообразное состояние), 4 - воздушно-сухое состояние. Квадратики - данные гравиметрического анализа и визуальных наблюдений, треугольники - результаты измерения на влагомере МХ-50. На вставках -морфология системы соответствующих концентрационных диапазонов.

При перемещении фигуративной точки А из области 7 (однофазный многокомпонентный раствор) по оси ординат, отражающей общую концентрацию полимерных компонентов в смеси, в точку В система претерпевает фазовое разделение. Это подтверждают результаты сканирующей электронной микроскопии, позволившие визуализировать двухфазную структуру систем ХТЗ-200 -ПЭО-5000 в концентрационной области 2 (вставка I). Видно, что смеси гетерогенны и характеризуются наличием включений. Количество включений тем больше, чем больше доля ПЭО-5000 в смеси. При дальнейшем повышении общей концентрации полимеров и попадании в фигуративную точку С формируется твердообразное состояние смесей (область 3, вставка II). В фигуративной точке Г) (область 4) полимерная система ХТЗ-200-ПЭО-5000 постепенно трансформируется в конденсированный блочный препарат: пленку или электропряденое волокно (вставка III).

Используя диаграмму фазовых состояний (рис. 8) и результаты исследования физико-химических свойств системы ХТЗ-УК-вода с добавкой ПЭО оптимизировали состав формовочных растворов с целью минимизации содержания синтетического компонента для получения однородного бездефектного волокна - ХТЗ-200:ПЭО-5000 = 99:1-97:Э в 70%-ной УК. Определён временной диапазон стабильности волокнообразующей способности данной формовочной композиции - 7 сут, что является существенно важным для технологии электроформования волокон в лабораторных и промышленных условиях.

Изучение свойств нетканых полотен из электропряденых волокон ХТЗ с добавкой ПЭО показало, что они неоднородны по диаметрам

волокна (средний диаметр варьирует в пределах 220-300 нм), характеризуются аморфной структурой и обладают высокой влаго- и паропоглощающей способностью. Термостабильность нетканого материала и индивидуального ХТЗ практически одинакова. Анализ физико-механических характеристик нетканых полотен показал сравнительно умеренные значения прочности и эластичности, вполне достаточные для их использования в биомедицинских приложениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований предложен вероятный механизм взаимодействия хитозана с полиэтиленоксидом, позволяющий объяснить: почему при электрогидродинамическом распылении раствора индивидуального ХТЗ в концентрированной УК образуется полимерный аэрозоль, а при использовании растворов ХТЗ с добавкой ПЭО (13 мас.%), имеющих близкие к раствору чистого ХТЗ значения г|, у и о, электрогидродинамическое распыление заканчивается формированием волокнистой полимерной структуры?

Межмолекулярное взаимодействие макромолекулярных клубков в формовочном растворе индивидуального ХТЗ в УК осуществляется посредством сложных ион-ионных-водородных контактов и узлов флуктуационной сетки перекрываний. Приложение электрического поля разрывает межмолекулярные связи и распрямляет клубки. При этом силы отталкивания между освободившимися ионными группами вдоль полимерной цепи ХТЗ возрастают, происходит проскальзывание узлов и молекулярное взаимозацепление ослабляется. Это приводит к сворачиванию цепей при движении и образованию на осадительном электроде-коллекторе частиц полимера.

Введение в раствор хитозана добавок гибкоцепного ПЭО не только увеличивает количество межмолекулярных контактов полимер-полимер за счет водородных связей между функциональными группами макромолекул ХТЗ и эфирным кислородом макроцепей ПЭО, но и усиливает плотность и прочность флуктуационной сетки зацеплений. Последняя, по-видимому, сдерживает проскальзывание распрямлённых цепей ХТЗ при наложении сильного электрического поля. Интенсивное испарение растворителя с поверхности жидкой полимерной струи фиксирует образовавшуюся надмолекулярную структуру, струя отвердевает и осаждается на приёмном электроде в морфологической форме волокна.

Чем больше молекулярная масса ПЭО, тем меньшее его количество в формовочном растворе ХТЗ будет необходимо для электроформования бездефектного волокна.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что гидродинамические свойства растворов хитозана и его смесей с полиэтиленоксидом в уксусной кислоте разной концентрации (без и с добавкой низкомолекулярной соли) определяются составом и ионной силой среды. С увеличением ионной силы предельное число вязкости понижается, что отражает компактизацию макромолекулярных клубков и связано с изменением термодинамического качества растворителя.

2. Обнаружено, что добавление полиэтиленоксида в раствор хитозана не меняет прямолинейный вид построений Хаггинса. Предельное число вязкости для смесей хитозан-полиэтиленоксид во всех растворителях обнаруживает отрицательные отклонения от аддитивности, что говорит об образовании компактных комплексов ионогенный полужесткоцепной-неионогенный гибкоцепной полимеры.

3. Умеренно концентрированные растворы хитозана без и с добавкой полиэтиленоксида в уксусной кислоте проявляют свойства неньютоновских жидкостей с высокой степенью структурирования. Добавление полиэтиленоксида увеличивает их вязкость и прочность структуры. Из построения Аррениуса оценена кажущаяся энергия активации вязкого течения раствора хитозана: 28-30 кДж/моль.

4. Выявленные зависимости поверхностного натяжения (а) и удельной электропроводности (у) эквиконцентрированных полимерных растворов в уксусной кислоте и ацетатном буфере от доли полиэтиленоксида (<5-10 мае. %) носят нелинейный характер. С увеличением относительной концентрации гибкоцепного полимера в смеси значение о и у понижаются.

5. При выдерживании во времени вязкость разбавленных и концентрированных растворов, предельное число вязкости, константа Хаггинса и температурный коэффициент предельного числа вязкости снижаются для всех исследованных растворов. По совокупности данных, это связано с аномально медленными структурными перестройками в растворе, а не с деструкцией гликозидных связей макроцепей хитозана.

6. Определены концентрационные границы фазовых состояний системы ХТЗ-ПЭО-УК(70%)-вода при 20°С. Очерчены условно-концентрационные границы существования однофазных растворов, гетерогенных смесей и воздушно-сухого состояния. Прослежено изменение морфологии системы при перемещении фигуративной точки по оси общей концентрации полимеров.

7. Предложен вероятный механизм взаимодействия хитозана с полиэтиленоксидом в разбавленных и умеренно концентрированных растворах уксусной кислоты, на основе которого обоснован оптимальный состав компонентов прядильного раствора с заданными свойствами для получения волокон хитозана с содержанием полиэтиленоксида 5 мас.% и менее методом электроформования. Исследованы структурно-морфологические, термические, сорбционные и физико-механические

свойства нетканого материала из электропряденых двухкомпонентных волокон хитозана с малым содержанием полиэтиленоксида.

Список опубликованных работ по теме диссертации Статьи в журналах

1.Abramov A.Y., Kozyreva E.V.. Shipovskaya A.B. Peculiarities of the physicochemical properties of chitosan solutions//Europ. J. Natural History. 2013. № 1. C. 30-35.

2. Козырева E.B.. Юкина O.B., Шиповская А.Б. Поверхностное натяжение растворов хитозана // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 4. http://www.science-education.ru/104-6851.

3. Козырева Е.В.. Дмитриев Ю.А., Шиповская А.Б., Коссович Л.Ю. Оценка волокнообразующей способности хитозана по физико-химическим параметрам раствора полимера // Известия Саратовск. ун-та. Новая серия. Серия химия, биология, экология. 2011. Т. 11. Вып. 1. С. 22 - 25.

4. Козырева Е.В., Абрамов А.Ю., Шиповская А.Б. Особенности физико-химических свойств растворов хитозана // Известия Саратовск. ун-та. Новая серия. Серия химия, биология, экология. 2011. Т. 11. Вып. 2. С. 25 - 31.

5. Шиповская А.Б., Островский Н.В., Сальковский Ю.Е., Козырева Е.В.. Дмитриев Ю.А., Белянина И.Б. На пути к созданию фармацевтических биотрансплантатов нового поколения для комбустиологии // Фармацевтические технологии и упаковка. 2010. №4. С. 74 - 75.

6. Шиповская А.Б., Фомина В.И., Козырева Е.В. Оптическая активность хитозана // Нанотехнологии. 2009. № 1-2. С. 33 - 39.

Статьи в сборниках научных трудов

7. Козырева Е.В.. Юкина О.В., Шиповская А.Б. Влияние малых добавок полиэтиленоксида на реологические свойства растворов хитозана // Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана: Матер. XI Международ, конф. Мурманск. 2012. С. 194-198.

8. Юкина О.В., Козырева Е.В.. Шиповская А.Б. Исследование поверхностного натяжения уксуснокислых растворов хитозана // Совр. проблемы теоретической и экспериментальной химии: Межвуз. сборник науч. трудов VIII Всероссийск. конф. молодых ученых с междунар. участием. Саратов: Изд-во «КУБиК». 2011. С. 200 - 202.

9. Орозалиев Э.Э., Козырева Е.В.. Шиповская А.Б. Исследование физико-химических свойств разбавленных растворов хитозана, полиэтиленоксида и их смесей в едином растворителе // Совр. проблемы теоретической и экспериментальной химии: Межвуз. сборник науч. трудов VHI Всероссийск. конф. молодых ученых с междунар. участием. Саратов: Изд-во «КУБиК». 2011. С. 191 - 193.

10. Козырева Е.В.. Орозалиев Э.Э., Шиповская А.Б. Исследование температурной зависимости вязкости разбавленных растворов хитозана с разным сроком хранения // Совр. проблемы теоретической и экспериментальной химии: Межвуз. сборник науч. трудов VII Всероссийск. конф. молодых ученых с междунар. участием. Саратов: Изд-во «КУБиК». 2010. С. 255 - 257.

11. Абрамов А.Ю., Козырева Е.В.. Фомина В.И., Шиповская А.Б., Рябухо В.П. Реологические свойства и оптическая активность растворов хитозана с разным сроком хранения // Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2009: Матер, ежегодной Всероссийск. науч. школы-семенара. Под ред. Д.А. Усанова. Саратов: Изд-во Саратовск. ун-та. 2009. С. 189 - 193.

Тезисы докладов

12. Фомина В.И., Козырева Е.В.. Шиповская А.Б. Получение и свойства олигомеров хитозана // 0лигомеры-2011: Сб. трудов IV Международ, конф,-школы по химии и физикохимии олигомеров. Казань: КГТУ 2011. Т. 2. С. 212.

13. Козырева Е.В.. Юкина О.В., Шиповская А.Б. Реология умеренно концентрированных растворов смесей хитозана с полиэтиленоксидом // Программа и материалы II конф. молодых учёных «Реология и физико-химическая механика гетерофазных систем». Суздаль. 2011. С. 79.

14. Salkovskiy Yu.E., Shipovskaya A.B., Kozvreva E.V.. Volodin D.A., Berezyak V.V. Properties of chitosan solution flow in shear and electric fields // Book of abstracts. 7 annual European rheology conference (AERC 2011). 2011. P. 53.

15. Козырева E.B.. Дмитриев Ю.А. Березяк В.В., Сальковский Ю.Е. Шиповская А.Б. Влияние кинетического фактора на процесс формования клеточных матриксов из нановолокон хитозана // Биомеханика 2010: Тез. докл. X Всероссийск. конф. Под ред. Л.Ю. Коссовича. Саратов: Изд-во Саратовск. ун-та. 2010. С. 98.

16. Козырева Е.В.. Шиповская А.Б. Реологические и волокнообразующие свойства растворов смесей хитозана с полиэтиленоксидом в водно-кислотных средах // Матер. 25 Симпозиума по реологии. Осташков. 2010. С. 133 - 134.

17. Дмитриев Ю.А., Козырева Е.В.. Коссович Л.Ю., Шиповская А.Б. Исследование процесса электроформования волокна из раствора хитозана // Труды Ш Всероссийск. школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноматериалы». Рязань: Изд-во РГРТУ. 2010. Т. II. С. 191 - 194.

18. Козырева Е.В.. Шиповская А.Б., Фомина В.И. Новые методы физико-химического контроля исходного сырья для получения биотрансплантатов на основе хитозана // Тез. докл. I Всероссийск. конф. «Современные методы химико-аналитического контроля фармацевтической продукции». Москва. 2009. С. 76 - 77.

19. Козырева Е.В.. Абрамов А.Ю., Дмитриев Ю.А., Березяк В.В., Сальковский Ю.Е., Шиповская А.Б. Способ получения прядильного раствора хитозана для электроформования нановолокон // Всероссийск. молодёжная выставка-конкурс прикладных исследований, изобретений и инноваций: Сборник матер. Саратов: Изд-во Саратовск. ун-та. 2009. С. 111.

Патент

20. Шиповская А.Б., Островский Н.В., Сальковский Ю.Е., Козырева Е.В.. Дмитриев Ю.А., Белянина И.Б., Березяк В.В., Александрова О.И., Кириллова И.В., Перминов Д.В. Биополимерное волокно, состав формовочного раствора для его получения, способ приготовления формовочного раствора, полотно биомедицинского назначения, способ его модификации, биологическая повязка и способ лечения ран // Патент РФ № 2468129. 2012. Б.И. № 33. 52 с.

Подписано в печать 18.04.2013. Формат 60x84 'А6. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Объем 1.5 печ. л. Тираж 120 экз. Заказ № 82-Т

Типография СГУ г. Саратов, ул. Б. Казачья 112а тел.: (845-2) 27-33-85

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Козырева, Екатерина Владимировна, Саратов

ФГБОУ ВПО САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО

На правах рукописи

04201358611

КОЗЫРЕВА ЕКАТЕРИНА ВЛАДИМИРОВНА

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИСТЕМЫ ХИТОЗАН-УКСУСНАЯ КИСЛОТА-ВОДА С ДОБАВКОЙ ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДА

02.00.04 - физическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: д.х.н., доцент Шиповская Анна Борисовна

Саратов - 2013

Содержание

стр.

Список принятых сокращений и условных обозначений 4

Введение 8

Глава 1. Обзор Литературы 13

1.1. Физико-химические свойства растворов хитозана 13

1.1.1. Конформационные характеристики и поведение 13 макромолекул хитозана в разбавленных растворах

1.1.2. Эффект падения вязкости растворов хитозана во времени 25

1.1.3. Реология умеренно-концентрированных растворов хитозана 29

1.1.4. Электропроводность растворов хитозана 32

1.1.5. Оптические свойства хитозана 3 4

1.2. Взаимодействие хитозана с синтетическими, 37 искусственными и природными полимерами

1.3. Электроформование волокон хитозана 42

1.3.1. Принцип и теория процесса электроформования. Примеры 42 получения электропряденых полимерных волокон

1.3.2. Электроформование волокон на основе хитозана 48 Глава 2. Экспериментальная часть 60

2.1. Объекты исследования 60

2.2. Методы исследования 63

2.3. Физико-химические свойства растворителей: справочные 69 данные и эксперимент

Глава 3. Вискозиметрия разбавленных растворов хитозана и его 75 смесей с полиэтиленоксидом

3.1. Гидродинамические свойства разбавленных растворов 75 хитозана в ацетатном буфере, 2 и 70%-ной уксусной кислоте

3.2. Кинетика нестабильности вязкостных свойств растворов 85 хитозана

3.3.

Вискозиметрические свойства растворов смесей хитозана с 92

полиэтиленоксидом в ацетатном буфере, 2 и 70%-ной уксусной кислоте

3.4. Кинетика предельного числа вязкости смесей хитозана с 99 полиэтиленоксидом Глава 4. Реология умеренно концентрированных растворов хитозана 104 и его смесей с полиэтиленоксидом

4.1. Реологические исследования умеренно концентрированных 104 растворов хитозана

4.2. Реология растворов смесей хитозана с малыми добавками 113 полиэтиленоксида

Глава 5. Исследование физико-химических свойств растворов 120

хитозана и его смесей с полиэтиленоксидом

5.1. Поверхностное натяжение 120

5.2. Электропроводность 130

5.3. Оптическая активность 136 Глава 6. Структурно-морфологичексие исследования системы 141

хитозан-уксусная кислота-вода с малыми добавками полиэтиленоксида

6.1. Исследование фазового разделения в системе хитозан- 141 полиэтиленоксид-уксусная кислота (70%)

6.2. Получение бикомпонентных хитозановых волокон с малым 148 содержанием синтетического полимера методом электроформования

6.3. Исследование свойств нетканого материала из 154 бикомпонентных волокон хитозана с малым содержанием полиэтиленоксида

Заключение 167

Выводы 173

Список литературы 175

Приложение

Список принятых сокращений и условных обозначений

Сокращения

АК - акриловая кислота

АцБ - ацетатный буфер

ГК - гиалуроновая кислота

ГФИП - гексафторизопропанол

ДМСО - диметилсульфоксид

ДОВ - дисперсия оптического вращения

ДХУК - дихлоруксусная кислота

ММ - молекулярная масса

МХ - метиленхлорид

ПАВ - поверхностно-активные вещества

ПВС - поливиниловый спирт

ПЭК — полиэлектролитный комплекс

ПЭТФ - полиэтилентерефталат

ПЭО - полиэтиленоксид

СД - степень деацетилирования, мольн.%

ТГА - термогравиметрический анализ

ТФУК - трифторуксусная кислота

ТЭА - триэтаноламин

УК - уксусная кислота

ФА - формальдегид

ХТЗ - хитозан

ЭС - этиловый спирт

Условные обозначения

А - сегмент Куна, А

а0 - персистентная длина полимерной цепи, А

С - концентарция, % или мас.%

Сп - концентрация полимера, г/дл

С^ - концентрация кроссовера

Сук - концентрация уксусной кислоты С, - молярная концентрация отдельных ионов

Сс степень сорбции, мас.%

Д> - коэффициент диффузии, см /с И - диаметр волокна, нм

Апах - максимальное значение диаметра волокна, нм А™ - минимальное значение диаметра волокна, нм £) - средний диаметр волокна, нм

М) - интервал вариации волокон по диаметру, нм АЕа - энергия активации вязкого течения, кДж/моль g - поверхностная активность вещества при адсорбции на

границе раздела фаз, Н м /моль / - ионная сила

К - константа уравнения Марка-Куна-Хаувинка

К& - константа диссоциации кислоты или аминогрупп в

макромолекуле хитозана Кх - константа Хаггинса Ь - межэлектродное расстояние, мм

/ - длина оптического пути, дм

Мч ~ средневязкостная молекулярная масса, кДа

М*> - средневесовая молекулярная масса, кДа т — масса, г

п - степень полимеризации макромолекул полимера, в случае

макромолекул хитозана количество £>-глюкозаминных звеньев

п* - количество измерений диаметра электропряденых волокон

п'{п о) - число капель раствора (растворителя), образующихся при истечении жидкости через капилляр сталагмометра рН — водородный показатель

рКа - отрицательный десятичный логарифм константы

диссоциации кислоты Л - универсальная газовая постоянная, Дж/мольК

Я - степень структурирования раствора полимера, %

Бо - коэффициент седиментации, с

Т - температура, °С или °К

Ткт - температура кипения, °С Гпл - температура плавления, °С

? - время истечения жидкости через капилляр вискозиметра, с;

или время хранения раствора полимера(ов) в статических условиях при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении, сут /0 - время истечения растворителя через капилляр вискозиметра, с

/* - время истечения жидкости через капилляр сталагмометра, с

- заряды ионов Ж - влажность полимера, %

х — количество 7У-ацетил-£)-глюкозаминных звеньев в

макромолекуле хитозана а - константа уравнения Марка-Куна-Хаувинка

а (ао) измеряемые углы вращения раствора (растворителя),

градусы

[а] - удельное оптическое вращение раствора полимера,

град-мл-дм_1-г_1

у - удельная электропроводность, мСм/см

8Г - температурный коэффициент предельного числа вязкости, К"1

е - относительное удлинение, %

С, - число мономерных звеньев

г| - вязкость, Па с

Лтах - наибольшая ньютоновская вязкость, Па с

г|тт - вязкость, соответствующая началу области структурной

вязкости, Па с

Ц(=о — максимальная вязкость для свежеприготовленного раствора, Па-с

11,=/ - максимальная вязкость для раствора, выдержанного в статических условиях заданное время {t=i сут), Па-с т^/т^о - относительное число вязкости, отн. ед. г|/г|о - отношение вязкостей (относительная вязкость), отн. ед. г|уд - удельная вязкость, отн. ед.

г)уд/Сп - число вязкости (приведенная удельная вязкость), дл/г [г|] - предельное число вязкости, дл/г [т]],=о ([л]/=/) _ предельное число вязкости для свежеприготовленного раствора (выдержанного в статических условиях заданное время 1=1 сут), дл/г [Л]^/[лЬ - относительное предельное число вязкости, отн. ед.

[г!]^ - предельное число вязкости при бесконечно большой ионной силе растворителя, дл/г X - длина волны, нм

V — число молей

V - парциальный объём, мл/г у0 - объём пикнометра, мл

р - удельная поверхность, г/м

о (со) - коэффициент поверхностного натяжения раствора (растворителя), эрг/см а* - разрывное напряжение, МПа

о - среднее квадратичное отклонение волокон по диаметру, нм

х - напряжение сдвига, Па

- числовая доля волокон отдельной фракции с диаметром £>-

Э + сШ, % X - параметр Флори-Хаггинса

- степень протонирования аминогрупп хитозана

ВВЕДЕНИЕ

Хитозан - продукт частичного или полного деацетилирования хитина -представляет собой ионогенный аминополисахарид сополимерного строения. Имеет перспективы применения в самых разнообразных областях жизни человека, благодаря комплексу весьма ценных в практическом отношении свойств, а также практически неограниченной (ежегодно возобновляемой) сырьевой базе [1-5].

Поскольку температура термического разложения хитозана ниже температуры его плавления, переработка данного полимера в готовые изделия всегда включает стадию растворения в органических или неорганических кислотах.

Фундаментальные и прикладные научные разработки в области хитозана и его сырьевого источника хитина занимают важное место в физической химии полимеров. Об этом свидетельствует периодическое проведение международных конференций и симпозиумов, на которых рассматриваются различные аспекты изучения и применения этих аминополисахаридов [6-9], огромное количество научных публикаций по данному направлению (табл. В.1), включая обзоры [10], а также образование в 1992 г. Европейского, а в 2000 г. - Российского хитиновых обществ [11].

Таблица В.1

Количество публикаций в области хитина и хитозана за период

2000-2008 г.г. по данным баз данных Scopus [10]

Объект исследования Обзоры Статьи Патенты

Хитин 182 2741 9064

Хитозан 401 5959 20041

Хитин и хитозан 119 2040 11804

Одним из перспективных направлений функционализации (т.е. улучшения свойств или придания новых качеств) материалов на основе хитозана является процесс их получения из смесей этого аминополисахарида с другими полимерами. В этой связи, хитозан - полимерный электролит - чаще всего исследуют с точки зрения оценки его способности образовывать ион-

полимерные комплексы с синтетическими полиэлектролитами или низкомолекулярными ионогенными веществами, образующими с хитозаном соли или различные хелатные комплексы [12-15]. Применение подобных комплексов с хитозаном весьма разнообразно и охватывает области медицины, фармакологии, косметологии, мембранных технологий и др. Исследованию взаимодействия хитозана с другими полимерами, например полиэтиленоксидом (ПЭО), поливиниловым спиртом (ПВС), сополиамидом и т.п., между которыми возможно лишь действие сил, обеспечивающих межмолекулярные контакты по типу водородной связи или узлов зацеплений, уделено гораздо меньше внимания. Последние системы представляют самостоятельный интерес с точки зрения возможности получения из них композитных полимерных материалов нового функционального назначения, предназначенных, прежде всего, для создания экологически безопасных изделий кратковременного использования или одноразового применения. Например, смеси хитозана с ПЭО перспективны для получения материалов биомедицинского назначения: электропряденых волокон нано- и субмикроскопического диаметра [16-24], полупроницаемых сеток [25], микросфер [26], специфических гидрогелей [27-28], а также плёнок и мембран с особыми свойствами [29-32].

В перечисленных выше публикациях рассматриваются вопросы совместимости хитозана с ПЭО, некоторые физико-химические, механические и структурно-морфологические свойства и области применения материалов на их основе. Диапазон соотношений компонентов хитозан:ПЭО варьируется, как правило, от 90:10 до 10:90. Работы же, посвященные изучению свойств таких смесей с содержанием ПЭО менее 5-10мас.%, в литературе практически отсутствуют. Между тем, чем меньше содержание синтетического компонента в смеси, тем выше биосовместимость, биодеградируемость, биологическая активность и другие свойства материала. Не исследовано и гидродинамическое поведение макромолекул в разбавленных растворах смесей хитозана с данным синтетическим полимером.

Кроме того, растворы хитозана характеризуются нестабильностью вязкостных свойств во времени [33—40], что затрудняет их исследование и оказывает значительное влияние на прикладные свойства. А отсутствие

единого мнения о причинах нестабильности вискозиметрических свойств хитозана осложняет интерпретацию экспериментальных данных и поиск условий стабилизации систем.

В связи с вышесказанным актуально комплексное изучение физико-химических свойств хитозана и его смесей с малыми добавками других полимеров не только в широком интервале концентраций полимера в растворе и широком диапазоне концентраций водных растворов кислот, используемых для их растворения, но и по мере хранения в статических условиях.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

- предложить вероятный механизм взаимодействия хитозана с полиэтиленокидом в растворах, на основе которого обосновать физикою

химические параметры и оптимальный состав компонентов формовочного раствора для получения двухкомпонентных волокон хитозангполиэтиленоксид с содержанием синтетического полимера менее 5 мас.% методом электроформования, исследовать физико-химические и физико-механические свойства нетканого материала из электропряденых волокон хитозана.

Научная новизна. В работе впервые:

- изучены реологические параметры умеренно концентрированных растворов, а также проведены оценки коэффициента поверхностного натяжения, удельной электропроводности и удельного оптического вращения растворов хитозана с добавкой полиэтиленоксида при содержании последнего до 5 мас.%;

-получены доказательства отсутствия деструкции гликозидных связей макромолекул полимера в процессе выдерживания водно-кислотных растворов хитозана и его смесей с полиэтиленоксидом вплоть до 42 сут хранения;

-определены концентрационные границы фазовых состояний системы хитозан-полиэтиленоксид-уксусная кислота (70%); выделены области существования однофазного раствора, гетерогенных смесей и воздушно-сухого состояния; прослежено изменение морфологии полимерной системы при перемещении фигуративной точки по оси общей концентрации полимеров;

Практическая значимость работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

- умеренно концентрированные растворы смесей хитозан :полиэтиленоксид составов 99:1-95:5 являются неньютоновскими жидкостями, добавки полиэтиленоксида увеличивают значения вязкости и степени структурирования растворов смесей;

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав (1 глава - обзор литературы по теме исследования, 2 глава -характе�