Дослідження адсорбції полівінілпіролідону та полістиролу на поверхні кремнезему
The interaction of polyvinylpyrrolidone and polystyrene with high disperse silica has been investigated by IR spectroscopy, thermogravimetry, and mass spectrometry methods. The structure of polymer layer is determined predominantly by strength of interaction of macromolecule functional groups with t...
Gespeichert in:
| Datum: | 2004 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2004
|
| Online Zugang: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/168 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291267832152064 |
|---|---|
| author | Guzenko, N. V. Nosach, L. V. Chmilev, M. V. |
| author_facet | Guzenko, N. V. Nosach, L. V. Chmilev, M. V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "N. V. Guzenko",
"institution": "Інститут хімії поверхні НАН України"
},
{
"author": "L. V. Nosach",
"institution": "Інститут хімії поверхні НАН України"
},
{
"author": "M. V. Chmilev",
"institution": "Інститут хімії поверхні НАН України"
}
] |
| author_sort | Guzenko, N. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:41:38Z |
| description | The interaction of polyvinylpyrrolidone and polystyrene with high disperse silica has been investigated by IR spectroscopy, thermogravimetry, and mass spectrometry methods. The structure of polymer layer is determined predominantly by strength of interaction of macromolecule functional groups with the surface of high disperse silica. Polyvinylpyrrolidone macromolecules were found to interact with silica surface directly, without mediator assistance. They are placed on the surface flatly whereas polystyrene molecules possessing similar structures are sorbed on high disperse silica surface as globulas. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:30:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
Хімія, фізика та технологія поверхні. 2004. Вип. 10. С.192-197
192
УДК 541.183
ДОСЛІДЖЕННЯ АДСОРБЦІЇ ПОЛІВІНІЛПІРОЛІДОНУ ТА
ПОЛІСТИРОЛУ НА ПОВЕРХНІ КРЕМНЕЗЕМУ
Н.В. Гузенко, Л.В. Носач, М.В. Чмильов
Інститут хімії поверхні Національної академії наук України
вул. Ген. Наумова 17, 03680 Київ-164
е-mail:vef@kulichki.ru
Методами ІЧ-спектроскопії, термогравіметрії та мас-спектрометрії досліджено
взаємодію полівінілпіролідону та полістиролу з високодисперсним кремнеземом. Показано,
що конформація адсорбованого шару полімера головним чином визначається силою
взаємодії адсорбату з поверхнею високодисперсного кремнезему, яка залежить від
природи функціональних груп макромолекул. Встановлено, що макромолекули
полівінілпіролідону взаємодіють з поверхнею кремнезему безпосередньо, без участі
молекул-медіаторів. Показано, що молекули полівінілпіролідону при утворенні моношару
розташовуються на поверхні пласко, а подібні за будовою молекули полістиролу
сорбуються на поверхні високодисперсного кремнезему у вигляді клубків.
The interaction of polyvinylpyrrolidone and polystyrene with high disperse silica has been
investigated by IR spectroscopy, thermogravimetry, and mass spectrometry methods. The
structure of polymer layer is determined predominantly by strength of interaction of
macromolecule functional groups with the surface of high disperse silica. Polyvinylpyrrolidone
macromolecules were found to interact with silica surface directly, without mediator assistance.
They are placed on the surface flatly whereas polystyrene molecules possessing similar structures
are sorbed on high disperse silica surface as globulas.
Вступ
Розширення сфер застосування сорбентів та наповнювачів у промисловості, фармації і
медицині вимагає створення нових високодисперсних речовин із заданими
характеристиками. Одним із ефективних способів одержання сорбентів та наповнювачів з
новими властивостями є адсорбційне модифікування, сутність якого полягає в тому, що
вихідну поверхню високодисперсних речовин вкривають шаром полімера.
Сорбційне модифікування поверхні кремнезему полімерами надає нові можливості для
створення сорбентів з заданими властивостями. Тому дослідження взаємодії кремнезему з
полімерами має не лише суто наукове, а і важливе практичне значення.
Експериментальна частина
Як високодисперсний кремнезем у роботі використали аеросил марки А-300 (в/о
«Хлорвініл», Калуш, Україна) з Sпит=300 м2/г, а як модифікатори – водорозчинний полімер
– полівінілпіролідон (ПВП; М=12000) та полістирол (ПС; М=40000), який розчиняли у
CCl4. Вибір цих сполук був обумовлений тим, що вони досить схожі між собою за
структурою, відрізняючись лише будовою бічного кільця (рис. 1). П’ятичленне кільце у
випадку ПВП містить атом кисню в амідній групі, який має виражені протоноакцепторні
властивості. Фенільний радикал полістиролу здатний утворювати з протоном лише досить
слабкі π-комплекси [1, 2].
193
CH3 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH2
C
O
CH2H2C
H2C
N
C
O
CH2H2C
H2C
N
C
O
H2C CH2
CH2
N
C
O
H2C CH2
CH2
N
n
lПВП = 27,5 нм
dПВП = 0,9 нм
CH3 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH2n
lПВП = 92 нм
dПC = 0,9 нм
Рис. 1. Структурні формули полівінілпіролідону (а) та полістиролу (б).
Адсорбцію полімерів на поверхні кремнезему проводили методом імпрегнації. Для
цього готували 10% суспензії аеросилу, що містили задану кількість ПВП або ПС.
Діапазон концентрацій полімерів у суспензіях становив 0,2-2% мас. Суспензії висушували
спочатку на повітрі протягом 48 год. при кімнатній температурі, а потім прогрівали при
60 оС для повного видалення молекул розчинника. Одержані зразки подрібнювали за
допомогою вібраційного мікроподрібнювача N.M.V. Ardenne.
ІЧ-спектральні дослідження проводили на спектрофотометрі Specord М80 (Німеччина).
Для цього зразки аеросилу пресували в пластинки розміром 8´28 мм та масою 20±0,5 мг.
Термовакуумування проводили у переносних кварцових кюветах, які мали оптичні скельця
з CaF2.
Мас-спектрометричні дослідження проводили на мас-спектрометрі МХ 7304А
(Україна). Швидкість нагріву зразків становила 5 C/хв.
Термогравіметричні дослідження синтезованих зразків вивчали на дериватографі МОМ
Q-1500 (Угорщина) із швидкістю нагріву 5 C/хв. Маса зразків становила 200±2 мг.
Результати та їхнє обговорення
Високодисперсний кремнезем – аеросил А-300 складається з частинок розміром
9-10 нм [3, 4]. Головними сорбційними центрами кремнезему є вільні силанольні групи, які
рівномірно розташовані на поверхні і проявляються в ІЧ-спектрі у вигляді смуги
поглинання 3750 см-1 (рис. 2, кр. 1). Тому ступінь збурення силанольних груп внаслідок
взаємодії з адсорбатом дозволяє визначити ступінь покриття поверхні кремнезему і
визначити конформацію макромолекул моношару полімера.
У літературі [5, 6] докладно описано і класифіковано конформаційні розташування
полімерних молекул в адсорбованому моношарі. Відзначається, що будова полімера
(лінійна, розгалужена або з поперечними зв'язками між ланцюгами) багато в чому
визначає, як саме будуть адсорбуватися макромолекули: у вигляді сферичної губки; як
а)
б)
194
безладно закручений клубок, сегменти якого приєднуються до поверхні; як ланцюг, що
утворює петлі; як зигзагоподібний ланцюг, що лежить пласко на поверхні; у вигляді
ланцюга, приєднаного до поверхні лише одним кінцем.
1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000
2
3
1
2
1
2
3
50
100
П
ог
ли
на
нн
я,
%
хвильове число, cм-1
У роботі [7] було встановлено, що після адсорбції ПВП на поверхні кремнезему в ІЧ-
спектрі спостерігається зниження інтенсивності смуги 3750 см-1 і поява широкої смуги
збурених силанольних груп з максимумом у 3348 см-1. При утворенні моношару
(~200 мг/г) смуга 3750 см-1 зникає повністю (рис. 2, кр.2). Це означає, що в цьому випадку
молекули ПВП вкривають всю поверхню кремнезему. Взаємодія ПВП з поверхнею
кремнезему відбувається за рахунок утворення водневих зв’язків між киснем карбонільної
групи й атомом водню вільної силанольної групи [5-9]. Із аналізу співвідношення розмірів
частинок кремнезему і молекул ПВП було зроблено висновок, що макромолекули полімера
розташовуються на поверхні у вигляді плаского зигзагоподібного ланцюга [7, 8]. На
початковій стадії адсорбції ПВП, після первинного зв’язування клубка в одній точці
поверхні, внаслідок гнучкості макромолекули відбувається зміна її конформації і начебто
“розпластування” на поверхні.
Можна припустити, що частина силанольних груп, яка знаходиться поблизу точок
контакту між частинками, буде недоступною для взаємодії з молекулами ПВП. Збурення
цих груп відбуватиметься за рахунок залишку розчинника, в нашому випадку молекул
води. Для перевірки цього припущення ми виконали термовакуумні дослідження
кремнеземів, модифікованих полівінілпіролідоном, із застосуванням методів
ІЧ-спектроскопії та мас-спектрометрії.
Виявилося, що при нагріванні кремнезему з адсорбованим ПВП до 120 оС поглинання з
максимумом біля 3400 см-1 зменшується (рис. 3.). Це означає, що відбувається видалення з
поверхні фізично сорбованої води, однак появи смуги 3750 см-1 при цьому не
спостерігається. Вільні силанольні групи на поверхні з’являються лише тоді, коли
починається термічна деструкція адсорбованих полімерів при температурах, більших за
200 оС.
Методом мас-спектрометрії було встановлено, що термограми десорбції води для
зразків вихідного і модифікованого полівінілпіролідоном кремнеземів практично однакові
(рис. 4). Це означає, що наявність на поверхні полівініпіролідону не призводить до появи
якихось нових форм адсорбованої води.
Результати вакуумних досліджень добре узгоджуються з даними, одержаними методом
дериватографії. На рис. 5 показано, що термограма виділення води з поверхні вихідного і
Рис. 2. ІЧ-спектри:
вихідного кремнезему (1)
та після адсорбції 200 мг/г
полівінілпіролідону (2)
або полістиролу (3).
195
модифікованого полівінілпіролідоном аеросилів співпадають. Більше того, видно, що
модифікування полівінілпіролідоном, призводить до зменшення вмісту адсорбованої води
на поверхні.
2800 3200 3600 4000
3700 3750 3800
2-4
5
6
1
1 2-4
5
2
3
4
5
6
6
1
100
0
50
П
ог
ли
на
нн
я,
%
Хвильове число, см-1
Рис. 3. ІЧ-спектри аеросилу А-300 після взаємодії з водним розчином ПВП (200 мг/г) (1),
після вакуумування при кімнатній температурі (2), при 50 (3), 120 (4), 200 (5) та
300 оС (6).
0 100 200 300 400 500
0
1
2
3
4
5
6
7
8
2
1
I,
в
ід
н.
о
д.
Температура, оС
Адсорбція полістиролу на поверхні високодисперсного кремнезему істотно
відрізняється від адсорбції ПВП. Навіть при вмісті ПС на поверхні 200 мг/г ступінь
збурення вільних силанольних груп становить приблизно 50 %, тобто полімер вкриває
лише половину всієї поверхні (рис. 2, кр. 3). В той же час розрахунки показують, що
200 мг полістиролу цілком достатньо для утворення моношару (табл. 1).
Рис. 4. Термодесорбція молекул
води з поверхні вихідного
кремнзему (1) та модифікованого
ПВП (200 мг/г) (2).
196
0 200 400 600 800 1000
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
1
2, 3
1
2, 3
1
ДТГ
ТГ
Вт
ра
ти
м
ас
и,
%
Температура, оС
Таблиця 1. Порівняльні розміри лінійної (а) та глобулярної (б) форм
макромолекул полівінілпіролідону і полістиролу
Параметр Полівінілпіролідон Полістирол
а Б а б
Діаметр, нм 0,9 3,2 0,9 4,9
Об'єм, нм3 - 17 - 63
Довжина, нм: 27,5 - 92 -
Маса 1 молекули, г 1,98·10-20 6,6·10-20
Площа проекції:
1 молекули, нм2;
100 мг, м2
25
126
8
39
83
124
19
28,5
Число молекул в
100 мг
5,04·1018
1,5·1018
Це означає, що полістирол, на відміну від ПВП, сорбується у вигляді дещо
розпластаного клубочка, окремі сегменти якого приєднані до поверхні (рис. 6).
Рис. 6. Схема взаємодії частинки кремнезему з полістиролом (розташування
макромолекул на поверхні у вигляді клубка).
O
Si
O
OH
CH CH2 n
Рис. 5. Дериватограми вихідного
кремнезему (1), модифікованого
ПВП (2) та модифікованого ПВП і
промитого водою (3).
Рис. 7. Схема утворення p-комплексів між
молекулою полістиролу та силанольною
групою.
197
Ми вважаємо, що відмінності в адсорбції полістиролу та ПВП обумовлені різною
силою зв’язків між полімером та поверхнею кремнезему. ПВП утворює з поверхневими
силанольними групами водневі зв’язки середньої сили (приблизно 40-45 кДж/моль) [3, 8],
а полістирол (рис. 7) - лише слабкі p-комплекси, енергія яких становить 5-10 кДж/моль
[1, 10]. Очевидно, що така низька енергія взаємодії робить невигідним повне розгортання
клубочка макромолекули полістиролу на поверхні кремнезему.
Висновки
Результати ІЧ-спектральних та мас-спектрометричних досліджень свідчать про те, що
конформація адсорбованого шару полімера визначається головним чином силою взаємодії
адсорбату з поверхнею високодисперсного кремнезему, яка залежить від природи
функціональних груп макромолекул.
Аналіз залежності збурення силанольних груп від величини адсорбції
полівінілпіролідону та полістиролу дає змогу зробити такі висновки:
- макромолекули полівінілпіролідону взаємодіють з поверхнею високодисперсного
кремнезему безпосередньо, без участі молекул-медіаторів, у ролі яких можуть виступати
молекули розчинника (води);
- на відміну від молекул ПВП, здатних до сильної специфічної взаємодії, внаслідок чого
вони при утворенні моношару розташовуються на поверхні пласко, подібні за будовою
молекули полістиролу сорбуються на поверхні високодисперсного кремнезему у вигляді
клубків.
Література
1. Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия. – М.: Мир, 1974. – 1132 с.
2. Райд К. Курс физической органической химии. – М.: Мир, 1972. – 576 с.
3. Айлер Р. Химия кремнезёма. – М.: Мир, 1982. – Ч. 1, 2. – 1127 с.
4. Химия поверхности кремнезёма. - В 2 ч. / Под ред. А.А.Чуйко. – Киев: УкрИНТЭИ,
2001. - 1236 с.
5. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел / Под ред. Г.Парфита,
К.Рочестера. – М.: Мир, 1986. – 488 с.
6. Липатов Ю.С., Сергеева Л.М. Адсорбция полимеров. – Киев: Наукова думка, 1972. –
248 с.
7. Гузенко Н.В., Пахлов Е.М., Липковская Н.А., Воронин Е.Ф. Адсорбционное
модифицирование высокодисперсного кремнезёма поливинилпирролидоном // Журн.
прикл. химии. – 2001. – Т. 74, № 12. – С.1957-1961.
8. Гузенко Н.В. Дослідження механізму взаємодії полівінілпіролідону з
високодисперсним кремнеземом // Хімія, фізика та технологія поверхні. – Київ: КМ
Академія, 2003. - Вип. 9. - С.44-51.
9. Еременко Б.В., Баранчук Н.Д., Малышева М.Л. Электроповерхностные свойства
кремнезема в водных растворах поливинилпирролидона // Коллоидн. журн. – 1985. –
Т. 47, № 4. – C. 678-684.
10. Pohle W. Infrared study of the adsorption of aromatic molecules onto silica and chlorinated
silica // J. Chem. Soc. Faraday Trans I. – 1982. – V. 78. – P.2101-2109.
УДК 541.183
УДК 541.183
Вступ
Експериментальна частина
Результати та їхнє обговорення
Результати та їхнє обговорення
Результати та їхнє обговорення
Результати та їхнє обговорення
Література
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-168 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:04:48Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/14/9f38010346254a9e32a757788f807214.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-1682018-11-27T09:41:38Z Study on polyvinylpyrrolidone and polystyrene adsorption on silica surface Study on polyvinylpyrrolidone and polystyrene adsorption on silica surface Дослідження адсорбції полівінілпіролідону та полістиролу на поверхні кремнезему Guzenko, N. V. Nosach, L. V. Chmilev, M. V. The interaction of polyvinylpyrrolidone and polystyrene with high disperse silica has been investigated by IR spectroscopy, thermogravimetry, and mass spectrometry methods. The structure of polymer layer is determined predominantly by strength of interaction of macromolecule functional groups with the surface of high disperse silica. Polyvinylpyrrolidone macromolecules were found to interact with silica surface directly, without mediator assistance. They are placed on the surface flatly whereas polystyrene molecules possessing similar structures are sorbed on high disperse silica surface as globulas. The interaction of polyvinylpyrrolidone and polystyrene with high disperse silica has been investigated by IR spectroscopy, thermogravimetry, and mass spectrometry methods. The structure of polymer layer is determined predominantly by strength of interaction of macromolecule functional groups with the surface of high disperse silica. Polyvinylpyrrolidone macromolecules were found to interact with silica surface directly, without mediator assistance. They are placed on the surface flatly whereas polystyrene molecules possessing similar structures are sorbed on high disperse silica surface as globulas. Методами ІЧ-спектроскопії, термогравіметрії та мас-спектрометрії досліджено взаємодію полівінілпіролідону та полістиролу з високодисперсним кремнеземом. Показано, що конформація адсорбованого шару полімера головним чином визначається силою взаємодії адсорбату з поверхнею високодисперсного кремнезему, яка залежить від природи функціональних груп макромолекул. Встановлено, що макромолекули полівінілпіролідону взаємодіють з поверхнею кремнезему безпосередньо, без участі молекул-медіаторів. Показано, що молекули полівінілпіролідону при утворенні моношару розташовуються на поверхні пласко, а подібні за будовою молекули полістиролу сорбуються на поверхні високодисперсного кремнезему у вигляді клубків. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2004-06-16 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/168 Surface; No. 10 (2004): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 192-197 Поверхность; № 10 (2004): Химия, физика и технология поверхности; 192-197 Поверхня; № 10 (2004): Хімія, фізика та технологія поверхні; 192-197 3154-8091 3154-8083 uk https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/168/167 Авторське право (c) 2004 Н.В. Гузенко, Л.В. Носач, М.В. Чмильов |
| spellingShingle | Guzenko, N. V. Nosach, L. V. Chmilev, M. V. Дослідження адсорбції полівінілпіролідону та полістиролу на поверхні кремнезему |
| title | Дослідження адсорбції полівінілпіролідону та полістиролу на поверхні кремнезему |
| title_alt | Study on polyvinylpyrrolidone and polystyrene adsorption on silica surface Study on polyvinylpyrrolidone and polystyrene adsorption on silica surface |
| title_full | Дослідження адсорбції полівінілпіролідону та полістиролу на поверхні кремнезему |
| title_fullStr | Дослідження адсорбції полівінілпіролідону та полістиролу на поверхні кремнезему |
| title_full_unstemmed | Дослідження адсорбції полівінілпіролідону та полістиролу на поверхні кремнезему |
| title_short | Дослідження адсорбції полівінілпіролідону та полістиролу на поверхні кремнезему |
| title_sort | дослідження адсорбції полівінілпіролідону та полістиролу на поверхні кремнезему |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/168 |
| work_keys_str_mv | AT guzenkonv studyonpolyvinylpyrrolidoneandpolystyreneadsorptiononsilicasurface AT nosachlv studyonpolyvinylpyrrolidoneandpolystyreneadsorptiononsilicasurface AT chmilevmv studyonpolyvinylpyrrolidoneandpolystyreneadsorptiononsilicasurface AT guzenkonv doslídžennâadsorbcíípolívínílpírolídonutapolístirolunapoverhníkremnezemu AT nosachlv doslídžennâadsorbcíípolívínílpírolídonutapolístirolunapoverhníkremnezemu AT chmilevmv doslídžennâadsorbcíípolívínílpírolídonutapolístirolunapoverhníkremnezemu |