Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів
Розроблено методи синтезу і досліджено фізико-хімічні властивості (міцність та еластичність, ступінь та швидкість набухання, сорбційна здатність) гібридних матеріалів на основі губчатих ацеталів полівінілового спирту з поровим простором, частково просоченим функціональними рН- та термочутливими гід...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Дата: | 2017 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2017
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126801 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів / Ю.М. Самченко, Л.О. Керносенко, С.О. Крикля, Н.О. Пасмурцева, Т.П. Полторацька // Доповіді Національної академії наук України. — 2017. — № 7. — С. 69-76. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-126801 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Самченко, Ю.М. Керносенко, Л.О. Крикля, С.О. Пасмурцева, Н.О. Полторацька, Т.П. 2017-12-03T10:57:51Z 2017-12-03T10:57:51Z 2017 Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів / Ю.М. Самченко, Л.О. Керносенко, С.О. Крикля, Н.О. Пасмурцева, Т.П. Полторацька // Доповіді Національної академії наук України. — 2017. — № 7. — С. 69-76. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2017.07.069 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126801 541.182.644 - 127.665.785 Розроблено методи синтезу і досліджено фізико-хімічні властивості (міцність та еластичність, ступінь та швидкість набухання, сорбційна здатність) гібридних матеріалів на основі губчатих ацеталів полівінілового спирту з поровим простором, частково просоченим функціональними рН- та термочутливими гідрогелями (відповідно на основі акрилової кислоти та N-ізопропілакриламіду). Показано синергетичне покращення властивостей гібридних гідрогелів порівняно з компонентами, з яких вони збудовані, і перспективність вказаних матеріалів для розділення, видалення та концентрування барвників із забруднених стічних вод. Разработаны методы синтеза и исследованы физико-химические свойства (прочность и эластичность, степень и скорость набухания, сорбционная способность) гибридных материалов на основе губчатых ацеталей поливинилового спирта с поровым пространством, частично пропитанным функциональными рН- и термочувствительными гидрогелями (на основе акриловой кислоты и N-изопропилакриламида). Продемонстрировано синергетическое улучшение свойств гибридных гидрогелей по сравнению с компонентами, из которых они сконструированы, и показана перспективность этих материалов для разделения, удаления и концентрирования красителей из загрязненных сточных вод. Methods of synthesis of hybrid materials based on the sponge-like acetals of polyvinyl alcohol with the pore space which are partially impregnated by functional pH- and temperature-sensitive hydrogels (based on acrylic acid and N-isopropylacrylamide) have been developed, and their physicochemical properties (tensile strength and elasticity, sorption capacity, degree and rate of swelling) have been investigated. The synergistic improvement of properties of hybrid hydrogels in comparison with the components, from which they are constructed, is demonstrated, and the possibility of using these materials for the separation, removal, and concentration of dyes from polluted wastewaters is shown. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Хімія Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів Гибридные пористые полимеры на основе производных поливинилового спирта и акриловых гидрогелей Hybrid porous polymers based on derivatives of polyvinyl alcohol and acrylic hydrogels Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів |
| spellingShingle |
Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів Самченко, Ю.М. Керносенко, Л.О. Крикля, С.О. Пасмурцева, Н.О. Полторацька, Т.П. Хімія |
| title_short |
Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів |
| title_full |
Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів |
| title_fullStr |
Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів |
| title_full_unstemmed |
Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів |
| title_sort |
гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів |
| author |
Самченко, Ю.М. Керносенко, Л.О. Крикля, С.О. Пасмурцева, Н.О. Полторацька, Т.П. |
| author_facet |
Самченко, Ю.М. Керносенко, Л.О. Крикля, С.О. Пасмурцева, Н.О. Полторацька, Т.П. |
| topic |
Хімія |
| topic_facet |
Хімія |
| publishDate |
2017 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Доповіді НАН України |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Гибридные пористые полимеры на основе производных поливинилового спирта и акриловых гидрогелей Hybrid porous polymers based on derivatives of polyvinyl alcohol and acrylic hydrogels |
| description |
Розроблено методи синтезу і досліджено фізико-хімічні властивості (міцність та еластичність, ступінь та
швидкість набухання, сорбційна здатність) гібридних матеріалів на основі губчатих ацеталів полівінілового спирту з поровим простором, частково просоченим функціональними рН- та термочутливими гідрогелями (відповідно на основі акрилової кислоти та N-ізопропілакриламіду). Показано синергетичне покращення
властивостей гібридних гідрогелів порівняно з компонентами, з яких вони збудовані, і перспективність вказаних матеріалів для розділення, видалення та концентрування барвників із забруднених стічних вод.
Разработаны методы синтеза и исследованы физико-химические свойства (прочность и эластичность, степень и скорость набухания, сорбционная способность) гибридных материалов на основе губчатых ацеталей поливинилового спирта с поровым пространством, частично пропитанным функциональными рН- и
термочувствительными гидрогелями (на основе акриловой кислоты и N-изопропилакриламида). Продемонстрировано синергетическое улучшение свойств гибридных гидрогелей по сравнению с компонентами, из которых они сконструированы, и показана перспективность этих материалов для разделения, удаления и концентрирования красителей из загрязненных сточных вод.
Methods of synthesis of hybrid materials based on the sponge-like acetals of polyvinyl alcohol with the pore space
which are partially impregnated by functional pH- and temperature-sensitive hydrogels (based on acrylic acid
and N-isopropylacrylamide) have been developed, and their physicochemical properties (tensile strength and
elasticity, sorption capacity, degree and rate of swelling) have been investigated. The synergistic improvement of
properties of hybrid hydrogels in comparison with the components, from which they are constructed, is demonstrated,
and the possibility of using these materials for the separation, removal, and concentration of dyes from
polluted wastewaters is shown.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/126801 |
| citation_txt |
Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів / Ю.М. Самченко, Л.О. Керносенко, С.О. Крикля, Н.О. Пасмурцева, Т.П. Полторацька // Доповіді Національної академії наук України. — 2017. — № 7. — С. 69-76. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT samčenkoûm gíbridníporistípolímerinaosnovípohídnihpolívínílovogospirtutaakrilovihgídrogelív AT kernosenkolo gíbridníporistípolímerinaosnovípohídnihpolívínílovogospirtutaakrilovihgídrogelív AT kriklâso gíbridníporistípolímerinaosnovípohídnihpolívínílovogospirtutaakrilovihgídrogelív AT pasmurcevano gíbridníporistípolímerinaosnovípohídnihpolívínílovogospirtutaakrilovihgídrogelív AT poltoracʹkatp gíbridníporistípolímerinaosnovípohídnihpolívínílovogospirtutaakrilovihgídrogelív AT samčenkoûm gibridnyeporistyepolimerynaosnoveproizvodnyhpolivinilovogospirtaiakrilovyhgidrogelei AT kernosenkolo gibridnyeporistyepolimerynaosnoveproizvodnyhpolivinilovogospirtaiakrilovyhgidrogelei AT kriklâso gibridnyeporistyepolimerynaosnoveproizvodnyhpolivinilovogospirtaiakrilovyhgidrogelei AT pasmurcevano gibridnyeporistyepolimerynaosnoveproizvodnyhpolivinilovogospirtaiakrilovyhgidrogelei AT poltoracʹkatp gibridnyeporistyepolimerynaosnoveproizvodnyhpolivinilovogospirtaiakrilovyhgidrogelei AT samčenkoûm hybridporouspolymersbasedonderivativesofpolyvinylalcoholandacrylichydrogels AT kernosenkolo hybridporouspolymersbasedonderivativesofpolyvinylalcoholandacrylichydrogels AT kriklâso hybridporouspolymersbasedonderivativesofpolyvinylalcoholandacrylichydrogels AT pasmurcevano hybridporouspolymersbasedonderivativesofpolyvinylalcoholandacrylichydrogels AT poltoracʹkatp hybridporouspolymersbasedonderivativesofpolyvinylalcoholandacrylichydrogels |
| first_indexed |
2025-11-25T15:50:51Z |
| last_indexed |
2025-11-25T15:50:51Z |
| _version_ |
1850519645906272256 |
| fulltext |
69ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 7
doi: https://doi.org/10.15407/dopovidi2017.07.069
УДК 541.182.644 - 127.665.785
Ю.М. Самченко, Л.О. Керносенко,
С.О. Крикля, Н.О. Пасмурцева, Т.П. Полторацька
Інститут біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка НАН України, Київ
E-mail: kernosenko@ukr.net
Гібридні пористі полімери на основі похідних
полівінілового спирту та акрилових гідрогелів
Представлено академіком НАН України М.Т. Картелем
Розроблено методи синтезу і досліджено фізико-хімічні властивості (міцність та еластичність, ступінь та
швидкість набухання, сорбційна здатність) гібридних матеріалів на основі губчатих ацеталів полівінілово-
го спирту з поровим простором, частково просоченим функціональними рН- та термочутливими гідрогеля-
ми (відповідно на основі акрилової кислоти та N-ізопропілакриламіду). Показано синергетичне покращення
властивостей гібридних гідрогелів порівняно з компонентами, з яких вони збудовані, і перспективність вка-
заних матеріалів для розділення, видалення та концентрування барвників із забруднених стічних вод.
Ключові слова: гібридні полімери, гідрогелі функціональні, полівініловий спирт, акрилова кислота, N-ізо-
про піл акриламід, сорбція, барвники, очищення стічних вод.
Гідрогелі — просторово-зшиті гідрофільні полімери — успішно використовуються як ма-
теріали для тканинної інженерії та пластичної хірургії [1], засоби для спрямованого тран-
спорту лікарських препаратів [2], оптичні та аналітичні сенсори і датчики [3], матриці для
біологічних досліджень [4] тощо. Аномально висока порівняно з твердими полімерами біо-
сумісність гідрогелів з підвищеним рівноважним водовмістом насамперед зумовлена схо-
жістю їх 3D структури з екстрацелюлярним матриксом [5]. Область їх застосування, однак,
часто сильно обмежується недостатніми механічними властивостями гідрогелів [6], а саме
низькою міцністю та еластичністю, а також крихкістю та ламкістю, зумовленими невисо-
кою енергією руйнування традиційних гідрогелів, що становить близько 10 Дж/м2 [7]. По-
долати вказані обмеження можна шляхом створення так званих гібридних гідрогелів, які
сконструйовані на основі взаємопроникних сіток двох полімерних матеріалів з різною при-
родою (насамперед гідрофільністю, а відповідно, і міцністю), або шляхом введення до скла-
ду гідрогелю неорганічних наповнювачів [8]. Отримані гібридні гідрогелі позбавлені недо-
ліків окремих вихідних компонентів і акумулюють їх переваги. “Розумні” гібридні гідрогелі
виявляють підвищену чутливість до таких зовнішніх чинників, як незначна зміна темпера-
тури чи рН, магнітного та електричного полів [9], УФ-опромінювання. Так, інкорпорування
до складу гідрогелів магнетиту або діоксиду титану дає можливість отримувати магніточут-
ливі [10] і фоточутливі [11] гібридні гідрогелі відповідно.
© Ю.М. Самченко, Л.О. Керносенко, С.О. Крикля, Н.О. Пасмурцева, Т.П. Полторацька, 2017
70 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. acad. nauk Ukr. 2017. № 7
Ю.М. Самченко, Л.О. Керносенко, С.О. Крикля, Н.О. Пасмурцева, Т.П. Полторацька
Важливою проблемою сьогодення є видалення техногенних забруднювачів із стічних
вод, що супроводжують видобуток корисних копалин, фарбування тканин, дублення шкіри
та безліч інших технологічних процесів. Відомо, що велика частина забруднювальних речо-
вин у стічних водах є токсичними і канцерогенними, а отже, їх присутність у навколишньому
середовищі має ретельно контролюватися. Поряд із хімічним осадженням, іонним обміном,
мембранними технологіями, флокуляцією, флотацією тощо для видалення як неорганічних,
так і органічних забруднювачів широко застосовуються адсорбційні методи, що відрізняють-
ся своєю дешевизною та ефективністю [12]. Завдяки своїй пористій гідрофільній структурі,
що з легкістю просочується в усьому своєму об’ємі водними розчинами, як адсорбенти для
очищення води могли б використовуватись і гідрогелі. Також завдяки високій пористості та
можливості функціоналізації пор селективними сорбентами, наприклад з активними карбок-
сильними групами, вони виявляються перспективним матеріалом для створення сенсорів,
датчиків для аналітичних потреб, накопичувачів проб для газової хроматографії тощо. Проте
на заваді практичному застосуванню гідрогелів стають погані механічні властивості [7], що
унеможливлює їх регенерацію та тривале багаторазове використання.
За мету дослідження ставилося створення губчатих гібридних полімерів на основі по-
хідних полівінілового спирту та функціональних гідрогелів (акрилова кислота, N-ізо про-
піл ак риламід) і вивчення їх фізико-хімічних властивостей у порівнянні з відповідними па-
раметрами компонентів.
Акрилову кислоту (АК) (“Merck”) переганяли під вакуумом з додаванням 1 мл кон-
центрованої сульфатної кислоти і піддавали дробній кристалізації. N-ізопропілакриламід
(НІПА) (“Aldrich”, 97 %) перекристалізовували з гексану і висушували під вакуумом.
Акриламід (АА) (“Merck”, 99,9 %), N,N′-метиленбісакриламід (МБА) (“Merck”, 98 %),
персульфат амонію (ПСА) (“Sigma”, 98 %), персульфат калію (ПСК) (“Sigma”, 98 %), ме-
табісульфіт натрію (МБСН) (“Sigma”, 98 %), N,N,N′N′-тетраметилетилендіамін (ТМЕД)
(“Merck”, 99 %), полівініловий спирт (ПВС) (“AppliChemGmbH”, 98 %, молекулярна маса
72000), формальдегід 37 % (LAB-SCAN), концентровану сірчану кислоту та тритон Х-100
(“AppliChemGmbH”), лапоніт RD (“Rockwood Ltd”), а також барвники — метиленовий си-
ній та флуоресцеїн — використовували без додаткового очищення.
Окремі компонети гібридних гідрогелів (ацеталі полівінілового спирту (АПВС) та різнома-
нітні функціональні гідрогелі) отримували таким чином. Гомогенний розчин ПВС відповідної
концентрації отримували з використанням роторної мішалки при нагріванні до 82 °С; охоло-
джували до 49 °С; додавали 10 % розчин тритону Х-100; при 45–49 °С додавали по краплях 50 %
розчин сірчаної кислоти; охолоджували до 37–40 °С і по краплях додавали розчин формальде-
гіду; перемішували ще 1 хв і заливали у форми з різною геометрією, які поміщали в термостат
і витримували 1 год при 60 °С, а потім ще 12 год при 40 °С. У результаті було отримано губчаті
АПВС, що характеризуються розгалуженою системою відкритих транспортних пор, а також
підвищеними механічними властивостями [13]. Губчаті АПВС отримано в діапазоні концентра-
цій ПВС від 6,5 до 13 % (мас.), вміст формаліну при цьому варіював від 7,5 до 15,2 % (мас.).
Синтез гідрогелів здійснювали методом радикальної полімеризації у водному серед-
овищі при кімнатній температурі в атмосфері аргону. Поліакриламідний гель отримували
таким чином: АА (0,6 г) розчиняли у 2,95 мл дистильованої води, додавали 0,15 мл 3 % роз-
чину МБА, 0,15 мл 1 % розчину ПСК і 0,15 мл 2,5 % розчину МБСН. Отриману композицію
71ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 7
Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів
заливали між плоскопаралельними скельцями, розділеними спейсерами. Гідрогелі на осно-
ві АК та НІПА отримували аналогічним чином, але як ініціювальну окисно-відновну сис-
тему використовували пару ПСА—ТМЕД. Детальніше синтез функціональних гідрогелів
різного хімічного складу описувався нами раніше в [14].
Гібридні матеріали на основі АПВС та функціональних гідрогелів отримували шляхом
набухання сітки (губки) АПВС у відповідній гелеутворювальній композиції протягом 5 хв.
Після цього набухлу губку поміщали в атмосферу аргону при 20 °С і витримували протя-
гом однієї доби при 40 °С. Паралельно отримували композити з частковим заповненням
пор — шляхом віджимання певної частини композиції з набухлої губки, тобто набухлу губ-
ку піддавали рівномірному механічному стисканню, що призводило до видалення необхід-
ної кількості композиції (рис. 1, а). У випадку циліндричних губок вказаний процес здій-
снювали у шприцах відповідного діаметра, шляхом поступового видавлювання необхідної
кількості композиції поршнем. При цьому після зняття навантаження губка, маючи достат-
ню еластичність, поверталася у вихідне положення вже з частково вивільненими від компо-
зиції порами. Після цього залишок композиції в поровому просторі губок АПВС піддавали
гелеутворенню шляхом термостатуваня при 40 °С протягом однієї доби.
Набухання. Кінетику набухання композитів та їх компонентів у розчинниках різної
природи вивчали гравіметричним методом. Для цього зразки заливали надлишком розчин-
ника і зважували їх через певні проміжки часу. Розрахунок рівноважного ступеня набухан-
ня Q (г/г) зразків проводили за формулою
0
0
m m
Q
m
=
−
,
де m0 — маса сухого зразка (г); m — маса зразка, набухлого до рівноважного стану (г).
Константи швидкості набухання для синтезованих губок АПВС, гелів та композитів на
їх основі визначали з кінетичних кривих набухання як тангенс кута нахилу дотичної до кри-
вої набухання в координатах ln( / ( )tQ Q Q∞ ∞ − від τ (хв), де Q∞ — рівноважний ступінь на-
бухання, Qτ — ступінь набухання в момент часу τ — на початковій стадії процесу набухання.
Рис. 1. Схематичні зображення процесу отримання гібридних матеріалів на основі АПВС та акрилових
мономерів з частковим вивільненням порового простору (а) і процесу сорбції барвника з його розчину
шляхом прокачування через шприц з гібридним матеріалом на основі губки АПВС та акрилового гідро-
гелю (б)
72 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. acad. nauk Ukr. 2017. № 7
Ю.М. Самченко, Л.О. Керносенко, С.О. Крикля, Н.О. Пасмурцева, Т.П. Полторацька
Міцність на розрив. Дослідження проводили на розривній машині для випробуван-
ня пластичних мас 2167 Р-50. Зразки, що набухли до рівноважного стану, закріплювали в
затискачі розривної машини і розтягували зі швидкістю 20 мм/хв до повного руйнування
зразка. Початкова довжина зразка між затискачами (l0) становила 25 мм, ширина — 10 мм.
Товщину зразків визначали за допомогою мікрометра. Міцність на розрив розраховували як
відношення прикладеної сили F до площі перерізу зразка S (в кПа):
F
S
σ = .
Відносне видовження розраховували за формулою
0
0
l l l
l l
− Δε = = ,
де l — довжина зразка в певний момент деформації; l0 — початкова довжина зразка.
Сорбцію гідрогелями розчинів органічних барвників, що належать до різних класів, а
саме основного метиленового синього і кислотного флуоресцеїну, оцінювали за зміною їх
концентрації в розчині.
Сорбційні властивості досліджували таким чином. Наважку губчатого АПВС або гіб-
ридного матеріалу на основі АПВС і функціонального гідрогелю поміщали в шприц об’є-
мом 10 мл. Після чого шприцем набирали 5 мл розчинів органічних барвників або їх су-
міш. Через певний інтервал часу сорбент віджимали, а отриманий розчин поміщали у ви-
мірювальну кювету УФ спектрофотометра Specord M 40. Максимум поглинання становив
480 нм для ФЛЦ і 670 нм для МС.
Результати дослідження механічних властивостей свідчать про значне зростання міц-
ності на розрив гібридних матеріалів на основі АПВС порівняно з їх складовими. Так, у ви-
падку інкорпорування в поровий простір гідрогелю на основі АК міцність композита вдвічі
перевищує міцність відповідної губки і майже на порядок більша, ніж у гідрогелю (рис. 2,
а). Останніми роками було показано, що механічні властивості синтетичних полімерів (на-
самперед на основі термочутливого НІПА) значно покращуються у разі використання для
його зшивання замість традиційного ковалентного зшивального агента (наприклад, МБА)
наночастинок лапоніту [15]. Наприклад, як випливає з порівняльного аналізу рис. 2, а і 2, б,
розривна міцність гідрогелю на основі НІПА перевищує міцність гідрогелю на основі АК у
4 рази, а еластичність вища майже на 2 порядки. Однак навіть стосовно вказаного фізично-
зшитого гідрогелю на основі НІПА досягається синергетичне зростання міцності гібридно-
го матеріалу (приблизно в 1,5 та 2 рази порівняно зі складовими компонентами). Вказаний
параметр є вкрай важливим для багатьох галузей застосування розроблених гібридних ма-
теріалів, як медико-біологічних, так і технологічних, зокрема стосовно створення та збіль-
шення періоду експлуатації ефективних сорбентів.
Проаналізуємо процес набухання губок АПВС, гідрогелів та гібридних гелів на їх основі
(з різним ступенем віджиму, а також невіджатих з повністю заповненим гідрогелем поровим
простором) у модельних розчинниках (дистильованій воді та буферних розчинах з рН 1,68 і
9,18). Загалом рівноважний ступінь набухання губок АПВС майже на порядок вищий, ніж у ви-
падку гідрогелів. Така значна різниця у водопоглинанні пояснюється принциповою відмінністю
структури порового простору відповідних матеріалів. Губки АПВС займають довгі розгалужені
73ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 7
Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів
відкриті транспортні пори, тоді як у випадку гідрогелів вони тупикові і близькі за формою до
ізольованих сфер. Губки АПВС з повністю заповненим гідрогелем поровим простором (невід-
жаті губки) характеризуються практично таким самим низьким рівноважним водовмістом, як і
самі гідрогелі. Зі збільшенням ступеня віджиму і вивільнення транспортних пор від інкорпоро-
ваного гідрогелю набухання гібридного матеріалу значно зростає, наближаючись за гідрофіль-
ністю до чистої губки АПВС, а у деяких випадках (рис. 3, а) навіть перевищуючи її.
Принципово відрізняються не тільки рівноважні значення ступеня набухання губок
АПВС, гідрогелів і гібридних матеріалів на їх основі, але й кінетика процесу набухання. У
випадку гідрогелів час досягнення рівноважного ступеня набухання становить понад добу,
тоді як ненаповнені губки поглинають більше 95 % рівноважного водовмісту лише за кіль-
ка хвилин. Гібридні матеріали за швидкістю поглинання оточуючого їх розчинника у міру
звільнення порового простору від гідрогелю наближаються до ненаповнених губок.
Вказані відмінності у швидкості набухання зумовлені разючою різницею у константах
швидкості набухання гібридних матеріалів і їх складових, обчислених нами за тангенсом
кута нахилу початкової стадії кривої набухання в логарифмічних координатах. Встановле-
но, що у випадку ненаповнених губок константа швидкості набухання приблизно на 2 по-
рядки вища, ніж у випадку гідрогелів і на порядок вища порівняно з просоченими, але невід-
жатими губками. Водночас, у міру віджимання гелеутворюючої композиції з губок АПВС
Рис. 3. Кінетика набухання губок АПВС (1), гібридних гідрогелів на основі АПВС та АК з різним ступе-
нем віджимання: 83 % (2); 66 % (3); 50 % (4); 33 % (5) і без віджимання (6), а також чистих гідрогелів (7) у
буферному розчині з рН 9,18 (а) і величини їх констант швидкості набухання в дистильованій воді (б)
Рис. 2. Залежність розривної міцності від відносного видовження для гібридного гідрогелю на основі
АПВС та акрилової кислоти (а), гібридного гідрогелю на основі АПВС та фізично-зшитого НІПА (б): 1 –
гібридний гідрогель; 2 – АПВС; 3 – гідрогель
74 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. acad. nauk Ukr. 2017. № 7
Ю.М. Самченко, Л.О. Керносенко, С.О. Крикля, Н.О. Пасмурцева, Т.П. Полторацька
константа швидкості набухання гібридних гідрогелів стрімко збільшується і при 85 %-му
віджиманні становить уже близько 90 % відповідного параметра для ненаповненої губки.
Отже, завдяки функціоналізації гідрогелями транспортних пор у АПВС у поєднанні з
максимально можливим збереженням їх проникності синтезовані гібридні гідрогелі здатні
поєднувати (і навіть підсилювати) переваги компонентів, з яких вони сконструйовані. Вка-
зане стосується і адитивного зростання міцності у порівнянні з компонентами, і надання
гібридним матеріалам рН-чутливості (у разі наповнення губок гідрогелем на основі АК)
чи термочутливості (у випадку інкорпорування гідрогелю НІПА). У результаті ступінь на-
бухання рН-чутливих гібридних матеріалів зростає на порядок із переходом від кислого до
лужного середовища, а термочутливі гібридні матеріали характеризуються фазовим пере-
ходом з набухлого до сколапсованого стану при нагріванні вище 32 °С.
Процес сорбції індивідуальних барвників метиленового синього і флуоресцеїну та їх су-
міші досліджено з використанням як сорбенту ненаповненої губки на основі АПВС та гі-
бридних гідрогелів, у яких поровий простір АПВС частково заповнений гідрогелем на основі
АК. Показано, що у випадку АПВС ступінь сорбції барвників з індивідуальних розчинів (з
концентрацією 10–3 % (мас.)) разюче відрізняється. Для МС уже за два прокачування (протя-
гом 3 хв) розчину барвника через шприц з наважкою сорбенту ступінь поглинання становив
98 %, тоді як для ФЛЦ — лише 3 %. Схожу поведінку вказаного сорбенту відмічено і стосовно
поглинання барвників із їх еквімолярної суміші — ступінь сорбції за вказаний проміжок часу
становив 97 і 3,5 % відповідно (рис. 4, а). Таким чином, сорбент на основі АПВС може вико-
ристовуватися для експрес-методу розділення вказаних барвників і концентрування ФЛЦ
у розчині та МС у твердій фазі гібридного гідрогелю відповідно. У випадку використання
як сорбенту гібридного матеріалу на основі АПВС та АК (ступінь віджиму гелеутворюючої
композиції 75 %) вже через 3 хв залишкова кількість барвників після їх сорбції з розчину
становила 13 % для ФЛЦ і 3 % для МС (див. рис. 4, б), а через 10 хв (4 прокачування) сту-
пінь сорбції їх обох перевищував 95 %, що створює передумови для застосування вказано-
го гібридного матеріалу як ефективного сорбенту для очищення забруднених стічних вод,
оскільки реальна присутність барвників у промислових стоках значно нижча.
Рис. 4. Ступінь поглинання МС (1) і ФЛЦ (2) з їх суміші (а) у разі використання як сорбенту губки АПВС
і залишкова кількість (б) барвників після їх поглинання із суміші з використанням гібридного сорбенту
(на вставці – зміна забарвлення розчину та сорбенту після одного прокачування протягом 1 хв)
75ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 7
Гібридні пористі полімери на основі похідних полівінілового спирту та акрилових гідрогелів
Таким чином, розроблено методи синтезу і досліджено фізико-хімічні властивості (міц-
ність та еластичність, ступінь та швидкість набухання, а також сорбційна здатність) гібрид-
них матеріалів на основі губчатого АПВС з поровим простором, частково просоченим функ-
ціональними рН- та термочутливими гідрогелями. Показано синергетичне покращення
властивостей гібридних гідрогелів порівняно з компонентами, з яких вони сконструйовані,
і перспективність вказаних матеріалів для розділення, вилучення та концентрування барв-
ників із забруднених стічних вод.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Lee K., Mooney D. Hydrogels for tissue engineering. Chem Rev. 2001. 101. Р. 1869—1879
2. Qiu Y., Park K. Environment-sensitive hydrogels for drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev. 2001. 53. Р. 321—339.
3. Dong L., Agarwal A., Beebe D., Jiang H. Adaptive liquid microlenses activated by stimuli responsive hydro-
gels. Nature. 2006. 442. Р. 551—554.
4. Discher D., Mooney D., Zandstra P. Growth factors, matrices, and forces combine and control stem cells. Sci-
ence. 2009. 324. Р. 1673—1677.
5. Balakrishnan B., Banerjee R. Biopolymer-based hydrogels for cartilage tissue engineering. Chem. Rev. 2011.
111. Р. 4453—4474.
6. Calvert P. Hydrogels for soft machines. Adv. Mater. 2009. 21. Р. 743—756.
7. Lake G., Thomas A. The strength of highly elastic materials. Proc. R. Soc. A. 1967. 300. Р. 108–119.
8. Jing G., Wang Li, Yu H., Amer W. A., Zhang L. Recent progress on study of hybrid hydrogels for water treat-
ment. Colloids and Surfaces A. 2013. 416. Р. 86—89.
9. Liu Y.D., Choi H.J. Recent progress in smart polymer composite particles in electric and magnetic fields.
Polym. Int. 2013. 62. Р. 147—151.
10. Rao P., Lo I., Yin K., Tang S.C. Removal of natural organic matter by cationic hydrogel with magnetic proper-
ties. J. Environ. Manage. 2011. 92. Р. 1690—1695.
11. Yun J., Jin D., Lee Y., Kim H. Photocatalytic treatment of acidic waste water by electrospun composite
nanofibers of pH-sensitive hydrogel and TiO2. Mater. Lett. 2010. 64. Р. 2431—2434.
12. Malaviya P., Singh A. Physicochemical technologies for remediation of chromium-containing waters and
wastewaters. Crit. Rev. Env. Sci. Tech. 2011. 41. Р. 1111—1172.
13. Крикля С.О., Самченко Ю.М., Коновалова В.В., Полторацька Т.П., Пасмурцева Н.О., Ульберг З.Р. Гі-
бридні рН- та термочутливі гідрогелі на основі полівінілого спирту та акрилових мономерів. Магісте-
ріум. Хім. науки. 2016. Вип. 63. С. 20—28.
14. Samchenko Yu., Ulberg Z., Korotych O. Multipurpose smart hydrogel systems. Adv. Colloid Interface Sci.
2011. 168, № 1–2. P. 247—262.
15. Haraguchi K., Takehisa T., Fan S. Effects of Clay Content on the Properties of Nanocomposite Hydrogels
Composed of Poly(N-isopropylacrylamide) and Clay. Macromolecules. 2002. 35. P. 10162—10171.
Надійшло до редакції 26.12.2016
REFERENCES
1. Lee, K. & Mooney, D. (2001). Hydrogels for tissue engineering. Chem. Rev., 101, pp. 1869-1879
2. Qiu, Y. & Park, K. (2001). Environment-sensitive hydrogels for drug delivery. Adv. Drug Deliv. Rev., 53,
pp. 321-339.
3. Dong, L., Agarwal, A., Beebe, D. & Jiang, H. (2006). Adaptive liquid microlenses activated by stimuli respon-
sive hydrogels. Nature, 442, pp. 551-554.
4. Discher D., Mooney D. & Zandstra P. (2009). Growth factors, matrices, and forces combine and control stem
cells. Science, 324, pp. 1673-1677.
5. Balakrishnan, B. & Banerjee, R. (2011). Biopolymer-based hydrogels for cartilage tissue engineering. Chem.
Rev., 111, pp. 4453-4457.
6. Calvert, P. (2009). Hydrogels for soft machines. Adv. Mater., 21, pp. 743-756.
7. Lake, G. & Thomas, A. (1967). The strength of highly elastic materials. Proc. R. Soc. A., 300, pp. 108-119.
76 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. acad. nauk Ukr. 2017. № 7
Ю.М. Самченко, Л.О. Керносенко, С.О. Крикля, Н.О. Пасмурцева, Т.П. Полторацька
8. Jing, G., Wang, Li, Yu, H., Amer, W. A. & Zhang, L. (2013). Recent progress on study of hybrid hydrogels for
water treatment. Colloid. Surfaces A, 416, pp. 86-89.
9. Liu, Y. & Choi, H. (2013). Recent progress in smart polymer composite particles in electric and magnetic
fields. Polym. Int., 62, pp. 147-151.
10. Rao, P., Lo, I. M., Yin, K. & Tang, S. C. (2011). Removal of natural organic matter by cationic hydrogel with
magnetic properties. J. Environ. Manage, 92, pp. 1690-1695.
11. Yun, J., Jin, D., Lee, Y. & Kim, H. (2010). Photocatalytic treatment of acidic waste water by electrospun
composite nanofibers of pH-sensitive hydrogel and TiO2. Mater. Lett., 64, pp. 2431-2434.
12. Malaviya, P. & Singh, A. (2011). Physicochemical technologies for remediation of chromium-containing wa-
ters and wastewaters. Crit. Rev. Env. Sci. Tech., 41, pp. 1111-1172.
13. Kryklya, S., Samchenko, Yu., Konovalova, V., Poltoratsky, T., Pasmurtseva, N. & Ulberg, Z. (2016). Hybrid
pH and thermosensitive hydrogels based on polyvinyl alcohol and acrylic monomers. Magisterium. Chem.
Sci., 63, pp. 20-28.
14. Samchenko, Yu., Ulberg, Z. & Korotych, O. (2011). Multipurpose smart hydrogel systems. Adv. Colloid In-
terface Sci., 168, No. 1–2, pp. 247-262
15. Haraguchi, K., Takehisa, T. & Fan, S. (2002). Effects of Clay Content on the Properties of Nanocomposite
Hydrogels Composed of Poly(N-isopropylacrylamide) and Clay. Macromolecules, 35, pp. 10162-10171.
Received 26.12.2016
Ю.М. Самченко, Л.А. Керносенко, С.А. Крыкля, Н.А. Пасмурцева, Т.П. Полторацкая
Институт биоколлоидной химии им. Ф.Д. Овчаренко НАН Украины, Киев
E-mail: kernosenko@ukr.net
ГИБРИДНЫЕ ПОРИСТЫЕ ПОЛИМЕРЫ НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДНЫХ
ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА И АКРИЛОВЫХ ГИДРОГЕЛЕЙ
Разработаны методы синтеза и исследованы физико-химические свойства (прочность и эластичность, сте-
пень и скорость набухания, сорбционная способность) гибридных материалов на основе губчатых ацета-
лей поливинилового спирта с поровым пространством, частично пропитанным функциональными рН- и
термочувствительными гидрогелями (на основе акриловой кислоты и N-изопропилакриламида). Проде-
монстрировано синергетическое улучшение свойств гибридных гидрогелей по сравнению с компонента-
ми, из которых они сконструированы, и показана перспективность этих материалов для разделения, уда-
ления и концентрирования красителей из загрязненных сточных вод.
Ключевые слова: гибридные полимеры, гидрогели функциональные, поливиниловый спирт, акриловая кисло-
та, N-изопропилакриламид, сорбция, красители, очистка сточних вод.
Yu.M. Samchenko, L.O. Kernosenko, S.O. Kryklya, N.O. Pasmurtseva, T.P. Poltoratskа
F.D. Ovcharenko Institute of Bioсolloidal Chemistry of the NAS of Ukraine, Kiev
E-mail: kernosenko@ukr.net
HYBRID POROUS POLYMERS BASED ON DERIVATIVES
OF POLYVINYL ALCOHOL AND ACRYLIC HYDROGELS
Methods of synthesis of hybrid materials based on the sponge-like acetals of polyvinyl alcohol with the pore space
which are partially impregnated by functional pH- and temperature-sensitive hydrogels (based on acrylic acid
and N-isopropylacrylamide) have been developed, and their physicochemical properties (tensile strength and
elasticity, sorption capacity, degree and rate of swelling) have been investigated. The synergistic improvement of
properties of hybrid hydrogels in comparison with the components, from which they are constructed, is demon-
strated, and the possibility of using these materials for the separation, removal, and concentration of dyes from
polluted wastewaters is shown.
Keywords: hybrid polymers, functional hydrogels, polyvinyl alcohol, acrylic acid, N-isopropylacrylamide, sorption,
dyes, wastewater treatment.
|