Механохимическое получение композитов поливиниловый спирт/карбоксиметилцеллюлоза

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Экологически чистым методом “мягкой” механохимической активации без растворителя и сшивающих агентов получены биоразлагаемые твердофазные композиты поливиниловый спирт/ карбоксиметилцеллюлоза, перспективные для применения в фармацевтике, сельском хозяйстве, химической промышленности. Воздушно-сухие смеси поливинилового спирта и карбоксиметилцеллюлозы в массовом соотношении 2 : 1; 1 : 1; 1 : 2 подвергали ударно-сдвиговому воздействию в течение 3 и 5 мин (доза механической энергии 0.74 и 1.24 кДж/г) с помощью вибрационного истирателя ИВС-4 (1500 об./мин; 23.4 Гц; 0.55 кВт; навеска пробы 50 г; отношение массы размольных тел к массе образца 44 : 1). Механоактивированные образцы, представляющие собой средние порошки (насыпная плотность больше 600 и меньше 1000 кг/м3), исследованы методами сканирующей электронной микроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии, инфракрасной спектроскопии, оптической микроскопии, пикнометрии, методом спектра мутности, гравиметрии. Найдено, что механохимическая активация смеси с эквимассовым содержанием поливинилового спирта и карбоксиметилцеллюлозы и дозой энергии 1.24 кДж/г позволяет получить достаточно прозрачные в видимой области (мутность равна 0.14 см–1) и стабильные в течение 96 ч полимерные растворы концентрации 1 г/дл. Установлено, что поливиниловый спирт кристаллизуется из водных растворов концентраций 1 и 2 г/дл при высушивании при 25°С в дендриты или кристаллиты, после дозы энергии 0.74 и 1.24 кДж/г соответственно. Полимерные пленки композитов имеют сложную морфологию, включающую дендритные и аксиалитные кристаллические формы. Выявлено, что механохимическая обработка стимулирует формирование кристаллических форм полимеров, изменяет их межмолекулярное взаимодействие и затрагивает гидроксильные и эфирные группы карбоксиметилцеллюлозы и гидроксильные группы поливинилового спирта.

Full Text

Restricted Access

About the authors

О. Н. Дабижа

Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН

Author for correspondence.
Email: dabiga75@mail.ru
Russian Federation, наб. адмирала Макарова, 2, Санкт-Петербург, 199034

О. А. Шилова

Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова РАН

Email: dabiga75@mail.ru
Russian Federation, наб. адмирала Макарова, 2, Санкт-Петербург, 199034

Е. М. Иванькова

Институт высокомолекулярных соединений РАН

Email: dabiga75@mail.ru
Russian Federation, В. О. Большой проспект, 31, Санкт-Петербург, 199034

References

  1. Студеникина Л.Н., Корчагин В.И., Иушин В.О., Мельников А.А. Влияние природы наполнителя на свойства композита “поливиниловый спирт: полисахарид” // Сорбционные и хроматографические процессы. 2021. Т. 21. № 1. С. 111–118. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3226
  2. Khoramabadi H.N., Arefian M., Hojjati M., Tajzad I., Mokhtarzade A., Mazhar M., Jamavari A. A review of polyvinyl alcohol/carboxymethyl cellulose (PVA/CMC) composites for various applications // Journal of Composites and Compounds. 2020. № 2. P. 69–76. https://doi.org/10.29252/jcc.2.2.2
  3. Жилякова Е.Т., Попов Н.Н., Халикова М.А., Новикова М.Ю., Придачина Д.В. Технологические характеристики супрамикроструктурированного комбинированного пролонгатора-загустителя Na-КМЦ и ПВС // Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 4. (ч. 2). С. 450–452.
  4. Аракелов Г.Г., Смирнова К.С., Ничволодин А.Г., Хижняк С.Д., Соколов А.В., Пахомов П.М. Композиционные пленки на основе поливинилового спирта и Na-карбоксиметилцеллюлозы для сепарационных целей // Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93. № 7. С. 963–968. https://doi.org/10.31857/S0044461820070063
  5. Лазарева Т.Г., Ильющенко И.А., Алимов И.Ф. Пленочные материалы на основе поливинилового спирта и поликислот // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1994. Т. 36. № 9. С. 1481–1485.
  6. Патент № 2200716 C2 Российская Федерация, МПК C04B 16/12, C04B 18/02, C04B 18/26. Композиция для получения теплоизоляционного материала и теплоизоляционный материал на ее основе: № 2000119937/04: заявл. 27.07.2000 опубл. 20.03.2003 / В.В. Мальцев, А.В. Разумовский; заявитель Федеральное государственное унитарное предприятие “Научно-исследовательский и проектный институт “Научстандартдом – Гипролеспром”. 8 с.
  7. Liu D., Zhang C., Pu Y., Chen S., Li H., Zhong Y.. Novel colorimetric films based on polyvinyl alcohol/sodium carboxymethyl cellulose doped with anthocyanins and betacyanins to monitor pork freshness // Food chemistry. 2023. V. 404. P. 134426. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.134426
  8. Taghizadeh M.T., Sabouri N., Ghanbarzadeh B. Mechanochemical activation of carboxy methyl cellulose and its thermoplastic polyvinyl alcohol/starch biocomposites with enhanced physicochemical properties // International Journal of Biochemistry and Biophysics. 2013. V. 1. № 1. P. 9–15. https://doi.org/10.13189/ijbb.2013.010102
  9. Розенберг М.Э. Полимеры на основе винилацетата. Ленинград: Химия, 1983. 176 с.
  10. Лысенко А.А., Федорова Ю.Е., Морозова М.А., Абуркина Е.А., Тиранов В.Г. Получение и исследование пленочных нанокомпозитов на основе поливинилового спирта и карбоксиметилцеллюлозы, армированных углеродными нанотрубками // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. Серия 1. Естественные и технические науки. 2017. № 3. С. 66–70.
  11. Труфакина Л.М. Свойства полимерных композитов на основе поливинилового спирта // Известия Томского политехнического университета. Химия и химические технологии. 2014. Т. 325. № 3. С. 92–97.
  12. Гущин Н.А., Островидова Г.У., Соснов Е.А. Полимерные пленочные антимикробные композиты медицинского назначения // Журнал прикладной химии. 2008. Т. 81. № 1. С. 132–135.
  13. Wang Sh., Zhang Q., Tan B., Liu L., Shi L. pH-Sensitive poly(vinyl alcohol)/sodium carboxymethylcellulose hydrogel beads for drug delivery // Journal of Macromolecular Science. Part B: Physics. 2011. V. 50 № 12. P. 2307–2317. https://doi.org/10.1080/00222348.2011.563196
  14. Кувшинова Л.А., Канева М.В., Удоратина Е.В. Карбоксиметилцеллюлоза, модифицированная раствором тетрахлорида титана // Журнал общей химии. 2019. Т. 89. № 4. С. 632–638. https://doi.org/10.1134/S0044460X19040206
  15. Wahyuni H.S., Yuliasmi S., Winata G. Synthesis of sodium carboxymethyl cellulose-based hydrogel from durian (Durio zibethinus) rind using aluminium sulphate as crosslinking agent // Trop. J. Nat. Prod. Res. 2021. V. 5. № 5. P. 873–876. https://doi.org/10.26538/tjnpr/v5i5.13
  16. Alfindee M., Sweah Z.J., Saki T.A. Preparation and characterization of polymer blends based on carboxymethyl cellulose, polyvinyl alcohol, and polyvinylpyrrolidone // Egyptian Journal of Chemistry. 2021. V. 64. № 5. Р. 2679–2684. https://doi.org/10.21608/EJCHEM.2021.57276.3234
  17. Жилякова Е.Т., Попов Н.Н., Новикова М.Ю., Новиков О.О., Халикова М.А., Казакова В.С. Изучение физико-химических и технологических характеристик натрий карбоксиметилцеллюлозы с целью создания пролонгированных лекарственных форм с жидкой дисперсионной средой // Научные ведомости. Серия Медицина. Фармация. 2011. V. 13. № 4 (99). С. 146–153.
  18. Жилякова Е.Т., Новиков О.О., Халикова М.А., Попов Н.Н., Сабельникова Н.Н., Даниленко Л.М. Изучение физико-химических свойств супрамикроструктурированного поливинилового спирта // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия: Медицина. Фармация. 2010. V. 12. № 22 (93). С. 47–51.
  19. Михайлов А.А., Краснов А.А., Дюрягин Б.С. Получение ажурных композиционных волокнистых композиционных материалов через механоактивацию полимерно-неорганической смеси // Конструкции из композиционных материалов. 2003. № 4. С. 7–19.
  20. Новиков О.О., Жилякова Е.Т., Попов Н.Н. Разработка состава и технологии пролонгированных комбинированных глазных капель антимикробного действия // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6. С. 1015–1023.
  21. Gilman J.W., Vander Hart D.L., Kashiwagi T. Thermal decomposition chemistry of poly(vinyl alcohol) // ACS Symposium Series: Fire and Polymers II. 1995. V. 599. P. 161–185. https://doi.org/10.1021/bk-1995-0599.ch011
  22. Петропавловский Г.С. Гидрофильные частично замещенные эфиры целлюлозы и их модификация путем химического сшивания. Ленинград: Наука, 1988. 298 с.
  23. Heller W., Bhathagar H.L., Nakagaki M. Theotetical investigations on the light scattering of spheres. XIII. The “Wavelength exponent” of differential turbidity spectra // J. Chem. Phys. 1962. V. 36. № 5. P. 1163–1170. https://doi.org/10.1063/1.1732710
  24. El-Sakhawy M., Tohamy H.-A.S., Salama A., Kamel S. Thermal properties of carboxymethyl cellulose acetate butyrate // Cellulose Chem. Technol. 2019. V. 53. № 7–8. P. 667–675. https://doi.org/10.35812/CelluloseChemTechnol.2019.53.65
  25. Дейнеко И.П. Химические превращения целлюлозы при пиролизе // Лесной журнал. 2004. № 4. С. 97–112.
  26. Котенёва И.В., Сидоров В.И., Котлярова И.А. Анализ модифицированной целлюлозы методом ИК-спектроскопии // Химия растительного сырья. 2011. № 1. С. 21–24.
  27. Goldstein I.S. Wood formation and properties / Chemical properties of wood, Editor(s): Jeffery Burley. Encyclopedia of Forest Sciences. Elsevier, 2004. P. 1835–1839. https://doi.org/10.1016/B0-12-145160-7/00042-9
  28. Бочек А.М., Шевчук И.Л., Калюжная Л.М. Свойства водных растворов смесей карбоксиметилцеллюлозы разной степени ионизации с поливиниловым спиртом // Журнал прикладной химии. 2010. Т. 83. № 4. С. 660–665.
  29. Lopez C.G., Rogers S.E., Colby R.H., Graham P., Cabral J.T. Structure of sodium carboxymethyl cellulose aqueous solutions: A SANS and rheology study // J. Polym. Sci. B. Polym. Phys. 2015. V. 53 № 7. P. 492–501. https://doi.org/10.1002/polb.23657
  30. Вшивков С.А., Бызов А.А. Фазовое равновесие, структура и реологические свойства системы карбоксилметилцеллюлоза – вода // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2013. Т. 55. № 2. С. 170–175. https://doi.org/10.7868/S0507547513020165
  31. Шачнева Е.Ю., Магомедова З.А., Малачиева Х.З. Изучение физико-химических свойств частиц карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в водных растворах // Техника и технология пищевых производств. 2014. № 1. С. 152–155.
  32. Кленин В.И., Федусенко И.В., Клохтина Ю.И. Структура растворов кристаллизующихся полимеров. Влияние способа растворения // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2003. Т. 45. № 12. С. 2054–2062.
  33. Федусенко И.В., Кленин В.И., Клохтина Ю.И. Влияние механического поля на формирование надмолекулярного порядка в водных растворах поливинилового спирта // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2004. Т. 46. № 9. С. 1591–1597.
  34. Ориентационные явления в растворах и расплавах полимеров / под ред. Малкина А.Я., Папкова С.П. Москва: Химия, 1980. 280 c.
  35. Липатов Ю.С. Коллоидная химия полимеров. Киев: Химия, 1984. 344 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. SEM images of mechanically activated polyvinyl alcohol and carboxymethylcellulose: P – PVS; C is CMC; 3 and 5 are the time of mechanochemical activation, min.

Download (607KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. SEM images of mechanocomposites: PC – polyvinyl alcohol/carboxymethylcellulose; 21, 11, 12 – mass ratios of PVS: CMC = 2 : 1, 1 : 1, 1 : 2; 3, 5 – mechanochemical activation time, min.

Download (1MB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. IR spectra of mechanically activated polyvinyl alcohol and carboxymethylcellulose: P – PVS; C – CMC; 3 and 5 – time of mechanochemical activation, min.

Download (411KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Scheme of polyene structures formation from polyvinyl alcohol.

Download (44KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. IR spectra of mechanocomposites: PC – polyvinyl alcohol/carboxymethylcellulose; 21, 11, 12 – mass ratios of PVS : CMC = 2 : 1, 1 : 1, 1 : 2; 3, 5 – mechanochemical activation time, min.

Download (426KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependence of the logarithm of the optical density of polymer solutions on the logarithm of the wavelength for concentrations 1 and 2 g/dl (a, c): —●— C‑3; —■— C‑5; —×— P‑3; —×— P‑5; (b, d): —♦— RS21-3; —■— RS21-5; —σ— RS11-3; —×— RS11-5; —zh— RS12-3; —●— RS12-5.

Download (318KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Optical images of polymer films obtained from solutions of concentrations 1 and 2 g/dl ( increase x150): P ‑ PVS; C – CMC; PC – polyvinyl alcohol/carboxymethylcellulose composites; 21, 11, 12 – mass ratios of PVS : CMC = 2 : 1, 1 : 1, 1 : 2; 3, 5 – duration of mechanochemical activation, min.

Download (934KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies