Автор: Нестеренко Татьяна Васильевна

Рубрика: Химия

Опубликовано в Молодой учёный №1 (36) январь 2012 г.

Статья просмотрена: 873 раза

Библиографическое описание:

Нестеренко Т. В. Влияние добавок разной химической природы на растворимость полиакриламида // Молодой ученый. — 2012. — №1. Т.1. — С. 63-65.

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:

  1. Лопатин В.В. Полиакриламидные материалы для эндопротезирования и их место в ряду полимерных материалов медицинского назначения. Анналы пластической, реконструктивной и эстетической хирургии. 2000. № 3.

  2. Куренков В.Ф. Водорастворимые полимеры акриламида. – КГТУ: Химия, 1997.

  3. Нижник В.В., Нижник Т.Ю. Физическая химия полимеров. Учебник. – К.: Фитосоциоцентр, 2009. – 424с.

  4. Масленникова Л.Д., Иванов С.В., Фабуляк Ф.Г., Грушак З.В. Физико-химия полимеров: Учебник. – К.: Книжное из-во НАУ, 2009.

Основные термины (генерируются автоматически): концентрации карбамида, карбонат кальция, растворимость ПАА, хлорид натрия, ПАА аэросила растворимость, 30% карбамида, ПАА растворимость системы, процесс растворения, хлорида натрия, растворимость полиакриламида, степени набухания ПАА, карбамидом молекулы карбамида, уменьшения растворения ПАА, увеличении концентрации карбамида, среду молекул карбамида, слоем чистого карбамида, раствор карбамида, карбамида избыточный отрицательный, молекуле ПАА небольшое, хлорида натрия растворимость.

Ключевые слова

полиакриламид, растворение, карбамид, хлорид натрия, аэросил, карбонат кальция

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос