ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ НАБУХАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ВЛАГОУДЕРЖИВАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ С БЕЛКОВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ

STUDY OF KINETICS OF POLYMER WATER-RETAINING MATERIALS WITH PROTEIN FILLER

M.V. Baidakova

post-graduate student of the Department of Information Technologies of the Fuel and Energy Complex (ITFEC),  St. Petersburg National Research University of Information Technology, Mechanics and Optics (Saint Petersburg IТMO University)

M.V. Uspenskaya

D.Sc., professor, Saint Petersburg, IТMO University

R.O. Olekhnovich

Ph.D., docent, Saint Petersburg, IТMO University

T.S. Denisov

student, Saint Petersburg, IТMO University

АННОТАЦИЯ

В ходе работы методом свободно-радикальной полимеризации в водной среде были синтезированы композитные гидрогели, наполненные белковым гидролизатом «Биостим» в зависимости от последовательности введения наполнителя в реакционную смесь. Изучена кинетика набухания композитных гидрогелевых материалов в зависимости от схемы синтеза в дистиллированной воде и физиологическом растворе при температуре 25°С. Показано, что набухающая способность исследуемых композиций с белковым гидролизатом в среднем в 1,5-2 раза выше, чем для ненаполненных полимерных материалов, полученных при тех же самых условиях. Максимальной степенью набухания обладал образец, полученный с последовательностью введения белкового гидролизата в реакционную смесь в конце синтеза (схема I), и имел значения в дистиллированной воде (Q_max-810,0 г/г), и 0,9 масс. % раствора хлорида натрия (Q_max-65,0 г/г). Синтезированные гидрогелевые композиты, наполненные белковым гидролизатом «Биостим», представляют практический интерес в качестве водоудерживающих материалов для использования их в растениеводстве.

ABSTRACT

In the course of work using the method of free radical polymerization in aqueous media, composite hydrogels filled with the protein hydrolyzate Biostim were synthesized depending on the sequence of introduction of the filler into the reaction mixture. The kinetics of swelling of composite hydrogel materials was studied depending on the synthesis scheme in distilled water and physiological solution at a temperature of 25 ° C. It is shown that the swelling capacity of the test compositions with protein hydrolyzate is 1.5-2 times higher on average than for unfilled polymer materials obtained under the same conditions. The maximum degree of swelling was the sample obtained with the sequence of introduction of the protein hydrolyzate into the reaction mixture at the end of the synthesis (Scheme I) and had values ​​in distilled water (Qmax-810.0 g / g) and 0.9 wt. % solution of sodium chloride (Qmax-65.0 g / g). Synthesized hydrogel composites filled with the protein hydrolyzate Biostim are of practical interest as water-retaining materials for use in plant growing.

Ключевые слова: гидрогель; набухание; радикальная полимеризация; наполнитель; белковый гидролизат.

Keywords: hydrogel; swelling; radical polymerization; filler; protein hydrolyzate.

Особое внимание уделяют гидрофильным акриловым редкосшитым полимерам, которые играют важную роль в производстве влагоудерживающих препаратов [1, с. 1285], [2, с. 66]. Интерес к ним обусловлен, прежде всего, их способностью поглощать и удерживать значительное количество различных жидкостей, например, дистиллированной воды и солевых растворов [3, с.1154], [4, с.1345]. Такое свойство связано с наличием в составе полимеров функциональных гидрофильных групп, участвующих в процессе набухания. В данной работе свободно-радикальная полимеризация проводилась в водной среде с модулем ванны 30 масс. % при температуре полимеризации 35^◦С в течении 24 ч. Во время проведения реакции, акриловую кислоту подвергали частичной нейтрализации для понижения энергии активации системы, например, как было исследовано в работе [5, с.788]. В данной работе нейтрализацию проводили с помощью гидроксида калия, поскольку калий играет важную роль в повышении засухоустойчивости растений в сельском хозяйстве[6, с. 688]. В качестве сшивающего агента был использован метилбисакриламид с 0,1 масс.%. Персульфат аммония и тетраметилэтилендиамин выступали в роли окислительно-восстановительной системы [7, с. 410]. Наполнитель – белковый гидролизат, полученный переработкой отходов вторичного сырья, имел в своем составе аминокислоты и пептиды с различной молекулярной массой, был введен в реакционную смесь в количестве 5 масс.%. Последовательность введения белкового гидролизата в реакционную смесь по схеме I осуществлялась в конце синтеза, тогда как, по схеме II - в конце синтеза добавляли сшивающий агент. На рис 1 представлен график зависимости степени набухания ненаполненного образца, и наполненных композитных полимерных материалов, синтезированные по схеме I и II, в дистиллированной воде при температуре 25°С.

Рисунок 1. Кинетические кривые набухания композитных полимерных материалов с белковым наполнителем в дистиллированной воде при Т-25С

Из рисунка видно, что время достижения значений равновесной степени набухания для наполненных полимерных акриловых гидрогелей, значительно меньше (на 20-30 %). Это объясняется объемными эффектами введения наполнителя. При этом можно заметить, что значения равновесной степени набухания для наполненных гидрогелевых композиций больше в 2,5-4 раза, чем для ненаполненного образца. Также, для гидрогелевых композитов, полученных по схеме I, значения максимальной степени набухания (Q_max- 810,0 г/г) является большим на 10-20 %, чем для образцов, полученных по схеме II. Этот факт можно объяснить наличием дополнительных сшивок между функциональными группами макромолекул полимерной цепи и наполнителя, что ведет к общему снижению сорбции растворителя. Аналогичная зависимость степени достижения набухания наблюдается и для образцов при сорбции физиологического раствора. В таблице 1 представлены некоторые параметры полученных акриловых полимерных влагоудерживающих композитов. Из таблицы видно, что значения влагосодержания для наполненных и ненаполненных образцов изменяется незначительно. Для расчетов показателей n, представляющее собой число, которое определяет тип диффузии воды в гидрогель, и коэффициента корреляции R² на начальных стадиях набухания акриловых гидрогелей, и композитов на их основе, была применена модель набухания гидрогелей основанная на законах диффузии Фика, как было показано в работе [8, с. 984]. Поскольку экспонента n рассчитанная в дистиллированной воде, находятся в интервале 0,5<n<1,0, то скорость набухания в данном случае контролируется как диффузией молекул воды в гидрогель, так и релаксацией цепей полимерной структуры. Для физиологического раствора экспонента n для всех образцов имеет значение n<0,5, процессы набухания здесь происходят быстрее за счет релаксации цепей полимерной структуры.

Таблица 1.

Показатели набухания композитных материалов на основе белкового гидролизата

Синтезированные полимерные материалы с белковым гидролизатом «Биостим» по схеме I, с улучшенными набухающими свойствами рекомендованы в качестве почвенных кондиционеров в засушливых регионах. 

Список литературы:

1. Будников В.И. и др. Исследование водосорбционных характеристик наполненных акриловых сополимеров // Журнал прикладной химии. — 2010.- Т.83, №8. — С. 1284— 1287.
2. Адамова Л.В., Боровкова Н.А., Сафронов А.П. Сорбция воды редкосшитыми гидрогелями  на основе акриловой, метакриловой кислот и их сополимеров //  Вестник ТвГУ. Серия «Химия». — 2016. №. №. 1.–С. 66-73.
3. Murali M.Y. Swelling behavior and diffusions studies of  high-water-retaining acrylamid/potassium methacrylate gydrogels // Journal of Applied Polymer Science. – 2005. Vol. 96. №4. P. 1153 – 1164.
4. Liw, Z.S, Rempel G.L. Preparation of superabsorbent polymer by crosslinking acrylic acid and acrylamide copolymers // Journal of Applied Polymer Science. – 1997. Vol. 64. №7. P. 1345 – 1353.
5. Валуев Л.И. Чупов В.В., Сытов Г.А. Влияние химического строения бифункциональных сшивающих агентов на структуру и физико–химические свойства неионогенных гидрогелей // Высокомолекулярные соединения Сер. А. – 1995. – Т. 37. – № 5. – С. 787 – 791.
6. Nieves-Cordones  M,  Aleman  F,  Martinez  V, et al. K+ uptake in plant roots. The systems involved, their regulation and parallels in other organisms //Journal of Plant Physiology. – 2014. Vol. 171. Р. 688  – 695.
7. Mathur, A.M., Moorjani S.K., Scranton A.B. Methods for Synthesis of Hydrogels Networks: A Review // Journal of Macromolecular Science. Part. C: Chem. Phys. – 1996. – Vol. 36. № 2. – P. 405 – 430.
8. Peppas N. A.,  Franson N. M.  The Swelling Interface Number as a Criterion for Prediction of  Diffusional Solute Release Mechanisms in Swellable Polymers // Journal of Polymer Science Polymer Physics Edition. – 1983. – Vol. 21. –  P. 983-997.