Содержание к диссертации
Введение
1. Аппаратура и методика исследований 30
1.1. Аппаратура и методика измерения теплоемкости веществ в области 80-330 К 30
1.1.1. Калориметр 30
1.1.2. Вакуумная часть 31
1.1.3. Электрическая часть 32
1.1.4. Методика работы 35
1.2. Калориметр для измерения теплоемкости в интервале 4-80 К 39
1.3. Калориметр для измерения теплоемкости в интервале 300-650 К 40
1.4. Методика расчета термодинамических характеристик по калориметрическим данным 41
1.4.1. Расчет термодинамических функций, определение температур и энтальпий физических переходов 41
1.4.2. Калориметрический метод определения растворимости кристаллизующихся низкомолекулярных веществ в полимерах 44
1.4.3. Определение растворимости некристаллизугощихся жидкостей в полимерах 46
1.4.4. Определение температурной зависимости растворимости низкомолекулярных веществ в полимерах 47
1.4.5. Расчет нулевой энтропии и разности нулевых энтальпий пластификаторов в аморфном и кристаллическом состояниях 48
1.5. Определение энтальпий процессов в микрокалориметре ДАК-1-1 50
1.5.1. Устройство микрокалориметра ДАК-1-1 50
1.5.2. Методика определения энтальпий реакций 51
1.6. Определение энтальпий сгорания и образования веществ 52
1.7. Установка для дифференциального термического анализа (ДТА) в области 80-600 К 55
1.7.1. Конструкция установки и методика работы 55
1.7.2. Методика определения растворимости низкомолекулярных веществ в полимерах методом ДТА 59
1.8. Аппаратура и методика электронно-микроскопических исследований 61
1.8.1. Устройство электронного микроскопа УЭМВ-100К 61
1.8.2. Настройка (юстировка) микроскопа 65
1.8.3. Вспомогательное оборудование 66
1.8.4. Препарирование исследуемых объектов 69
1.9. Характеристика изученных объектов 72
2. Термодинамические характеристики полисахаридов и их смесей с пластификаторами 85
2.1. Теплоемкость и физико-химический анализ нитратов целлюлозы (хлопковой и древесной) 85
2.1.1. Зависимость теплоемкости, термодинамических функций и температур физических переходов от степени замещения ОН-групп целлюлозы нитро - группами 85
2.1.2. Связь между физико-химическими свойствами и структурой нитратов целлюлозы 94
2.1.3. Влияние пластификаторов на физико-химические свойства и структуру нитратов целлюлозы (НЦ) 96
2.1.3.1. Нитраты гликолей 96
2.1.3.1.1 Теплоемкость нитроглицерина (НГЦ) 96
2.1.3.12. Теплоемкость диэтиленгликольдинитрата 100
2.1.3.13. Теплоемкость триэтиленгликольдинитрата 103
2.1.3.14. Термодинамика смесей НЦ-НГЦ и растворимость НГЦ в НЦ 106
2.1.3.15. Диаграмма физических состояний системы НЦ-НГЦ 121
2.1.3.2. Эфиры фталевой кислоты 124
2.1.3.2.1 Диаграмма физических состояний системы НЦ-ДМФ 124
2.1.3.2.2. Диаграмма физических состояний системы НЦ-ДБФ 128
2.1.3.3. "Структурные" пластификаторы 135
2.1.3.3.1 Теплоемкость касторового масла 136
2.1.3.3.2. Диаграмма физических состояний системы НЦ- касторовое масло 140
2.1.3.3.3. Теплоемкость бутилстеарата 143
2.1.3.3.4. Диаграмма физических состояний системы НЦ - бутилстеарат 145
2.2. Физико-химические свойства крабового и грибного хитина, хитозана и их смесей с водой 148
2.2.1 Термодинамика и физико-химический анализ хитина и хитозана крабового и грибного 148
2.2.2. Диаграмма физических состояний системы грибной хитин-вода 157
2.3. Физико-химические свойства агарозы, агара и их смесей с водой 161
2.3.1 Термодинамика и физико-химический анализ агарозы и агара 161
2.3.2. Диаграмма физических состояний системы агар-вода 164
2.4. Физико-химические свойства амилозы, амилопектина, крахмала и их смесей с водой 168
2.4.1 Термодинамика и физико-химический анализ амилозы, амилопектина и крахмала 168
2.4.2. Диаграмма физических состояний системы крахмал - вода 176
2.5. Физико-химические свойства пектина и его смесей с водой 178
2.5.1 Термодинамика и физико-химический анализ пектина 178
2.5.2. Диаграмма физических состояний системы пектин — вода 186
2.6. Термодинамика и физико-химический анализ инулина 190
2.7. Заключение 195
3. Термодинамические характеристики ряда белков сыворотки крови человека и процессов с их участи ем 200
3.1 Сывороточный альбумин человека (САЧ) 200
3.1.1 Теплоемкость и физико-химический анализ нативного и денатурированного САЧ 200
3.1.2. Диаграмма физических состояний системы САЧ- вода 209
3.2. Иммуноглобулин (IgG) 210
3.2.1 Теплоемкость и физико-химический анализ нативного и денатурированного IgG 210
3.2.2. Диаграмма физических состояний системы IgG-вода 220
3.3. Плазминоген (Рд), плазмин (Рт) 222
3.3.1 Теплоемкость и физико-химический анализ нативного и денатурированного Рд 222
3.3.2. Исследование процесса активации Рд стрептокиназой (Sk) с образованием Рт 226
3.3.2.1 Физико-химический анализ Sk 226
3.3.2.2. Термохимическое исследование процесса взаимодействия Рд со Sk 227
3.3.2.3. Теплоемкость и физико-химический анализ Рт 231
3.4. Заключение 235
4. Физико-химические свойства фибриллярного белка желатина и ее смесей с водой 236
4.1. Физико-химический анализ желатина 236
4.2. Диаграмма физических состояний системы желатин - вода 240
4.3. Заключение 245
5. Физико-химические свойства нативных и денатурированных лактобацилл 246
5.1. Теплоемкость и физико-химический анализ нативных и денатурированных лактобацилл 246
5.2. Термохимическое исследование процесса культивирования La-бацилл на различных питательных средах 251
5.3. Заключение 255
6. Термодинамика сополимеров бутил метакрилата с метакриловой кислотой - связующего для трансдермальных терапевтических систем 256
6.1. Физико-химический анализ сополимеров бутил метакрилата (БМА) с метакриловой кислотой (МАК) 257
6.2. Теплоемкость и термодинамические характеристики некоторых сополимеров БМА »МАК 262
6.3. Диаграмма температура - состав сополимеров БМА - МАК 270
6.4. Влияние пластификаторов на температуры стеклования сополимеров БМА-МАК 272
6.4.1. Дифференциальный термический анализ смесей сополимера БМА - МАК, содержащего 7.6 мол.% кислоты, с ДМФ 272
6.4.2. Определение растворимости ДМФ в сополимере БМА - МАК, содержащем 7.6 мол.% кислоты, калориметрическим методом 274
6.4.3. Диаграмма физических состояний системы сополимер БМА - МАК, содержащий 7.6 мол.% кислоты, сДМФ 276
6.4.4. Дифференциальный термический анализ смесей сополимера БМА - МАК, содержащего 7.6 мол.% кислоты, сДОФ 278
6.4.5. Диаграмма физических состояний системы сополимер БМА - МАК, содержащий 7.6 мол.% кислоты, с ДОФ 279
6.4.6. Дифференциальный термический анализ смесей и диаграмма физических состояний системы сополимер БМА - МАК, содержащий 25.1 мол.% кислоты, с ДОФ 281
6.5. Электронно-микроскопические исследования структуры смесей акриловых полимеров и их сополимеров 285
6.6. Заключение 288
7. Практическое применение полученных физико-химических данных 291
7.1. Оптимизация процесса сублимационного высушивания лекарственного препарата лактобактерина 291
7.2. Способ получения масляного раствора биологически активных веществ из плодово-ягодного сырья 2ЭЭ
7.3. Способ диагностики злокачественных новообразований 306
7.4. Способ синтеза сополимеров БМА с МАК - связующего для трансдермальных терапевтических систем 311
7.5. Физико-химические свойства глицина, L-аланина и их бинарных растворов в воде 314
Общие выводы 322
- Калориметр для измерения теплоемкости в интервале 4-80 К
- Препарирование исследуемых объектов
- Физико-химические свойства крабового и грибного хитина, хитозана и их смесей с водой
- Физико-химические свойства пектина и его смесей с водой
Введение к работе
Роль биологически активных веществ (БАВ) в жизни современного человека трудно переоценить. Они представляют собой лекарственные вещества, входят в состав косметических средств и пищевых добавок.
Помощь медикам и биологам в изучении свойств БАВ должны и могут оказать химики и, в частности, физико-химики. Определение термодинамических характеристик (энтальпии, энтропии, функции Гиббса) аминокислот, белков, полисахаридов и других БАВ необходимо как при изучении процессов их получения, так и превращения в живых организмах, например, в ферментативных реакциях или при конформационных изменениях белков и нуклеиновых кислот. Однако такую информацию можно найти только в нескольких монографиях [1-3]. К сожалению, она немногочисленна. Биологически активные вещества - это, как правило, природные полимеры (полисахариды, белки и др.), которые имеют сложную молекулярную и надмолекулярную структуры. В связи с этим представляет большое теоретическое и практическое значение установление закономерностей влияния структуры на их физико-химические и, в частности, термодинамические свойства. Такие обобщения с 1972 г. [4] не проводились.
Ввиду того, что процессы в организмах протекают в водной среде, для их физиологии и биохимии весьма важно изучение физических состояний воды в различных БАВ, а также влияния воды на температуры их физических переходов. Такие данные можно найти только в монографии, вышедшей под редакцией Роуленда [5] в 1984 г., а также в [3]. Кроме воды пластифицирующее действие на БАВ, в частности, синтетические, могут оказывать другие низкомолекулярные вещества (НМВ). Ценную информацию об этом дают диаграммы физических состояний систем БАВ -вода или БАВ - НМВ, разработкой и анализом которых автор занимается более 30 лет [6, 7]. Они позволяют определить температурные и концентрационные границы образования гомогенных смесей, т.е. истинных растворов НМВ в БАВ и БАВ в НМВ, а также двухфазных студней, в которых один из этих растворов гликрокапельно распределен в матрице другого. Для построения и анализа таких диаграмм необходимы, в частности, данные о температурах стеклования смесей БАВ с НМВ, а также плавления фазы избытка НМВ над их растворимостью в БАВ. Такие данные можно получить при измерении теплоемкости (с°) смесей БАВ с НМВ и методом дифференциального термического анализа (ДТА). По кривым Ср=ДТ) рассчитывают также энтальпию, энтропию и функцию Гиббса нагревания веществ.
Весь комплекс прецизионных термодинамических характеристик и физико-химических свойств изученных БАВ, а также взаимодействия их с водой и других процессов с участием БАВ составили фундаментальную часть диссертационной работы. Они представляют собой теоретическую базу при разработке новых и оптимизации имеющихся технологических процессов синтеза БАВ или их выделения из природного сырья, т.е. т.е. являются вкладом в развитие научного направления - взаимосвязь структуры полимеров с их физико-химическими свойствами.
Например, выполненные исследования термодинамических свойств БАВ и полученные диаграммы физических состояний были использованы при оптимизации процесса сублимационного высушивания белков крови человека и бактерийных лекарственых препаратов, очистки сточных вод от аминокислот методом направленной кристаллизации. Был разработан оригинальный способ выделения витаминного комплекса из плодов рябины обыкновенной. Оптимизирован процесс получения пищевых добавок из растительного сырья. Сконструирована полимерная матрица для трансдермального введения лекарственных препаратов в организм больного, а также разработан способ диагностики злокачественных новообразований по данным ДТА крови больного.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с единым заказ-нарядом Минобразования РФ - в 1995 г., тема В-86, Х-56 "Теоретические основы направленного синтеза функциональных полимерных материалов; термодинамика синтеза; низкотемпературные инициаторы; со(полимеры), однородные по составу и молекулярной массе; термодинамика и реология полимерных композиций"; в 1996- 1997 гг. тема Б-6, Х-6, ННГУ 3.6.96 "Термодинамика полимеров и полимеризации; база данных для компьютерного банка о термодинамических свойствах полимеров, мономеров и процессов полимеризации"; в 1998-1999 гг., тема А-1, Х-1, ННГУ 3.1.96.3 "Теоретические и экспериментальные исследования реакционной способности металлоорганических соединений переходных металлов в процессах органического синтеза и катализа"; в 2000-2005 гг., тема ЗМ.321, (ННГУ 1.32.01) "Создание теоретических основ синтеза полимеров, изучение их строения и физико-химических характеристик; термодинамика полимеров, полисахаридов и элементоорганических соединений"; научно-технической программой Минобразования РФ "Конверсия и высокие технологии, 1997-2000 годы", проект № 55-01-25 "Разработка терапевтических систем нового поколения для трансдермального введения нитроглицерина"; грантом Международного Центра - Фонда Перспективных Исследований в Нижнем Новгороде (1998 г.), проект № 98-3-05 "Термодинамические исследования гемосовместимости композитных материалов, применяемых для кардиохирургических протезов и фильтров"; проектом "Разработка оборудования и технологии получения сухих растворимых напитков и соков на основе криопорошков сверхтонкого измельчения из натурального растительного сырья" (шифр: ФИТОНАПИТКИ), по НИОКР "Разработка термохимического метода исследования процесса переваривания пищи по данным об энтальпиях реакций ферментативного гидролиза" в рамках инновационной программы Миннауки РФ "Наука-технология-производство-рынок" (2000-2001 гг.), а также по хоз. договорам с НИИ трансплантологии и искусственных органов Минздрава РФ, ГНЦ ЦНИИХМ (г. Москва), Федеральным Центром Двойных Технологий "СОЮЗ" (г. Дзержинский Моск.обл.), НИИ эпидемиологии и микробиологии, а также Предприятием по производству бактерийных препаратов (г. Н. Новгород) и др. Цель работы включала ряд последовательных этапов: 1). Установление закономерностей, связывающих структуру и физико-химические свойства природных полимеров, основываясь на фундаментальных термодинамических характеристиках (теплоемкости, энтропии, энтальпии, функции Гиббса) в широкой области температур полисахаридов, сывороточных белков крови человека, лактобацилл и синтетических полимеров, применяемых в медицинских целях, на исследовании структуры и физических переходов указанных объектов.
2). Выявление влияния низкомолекулярных пластификаторов (воды, органических веществ) на структуру, термодинамические характеристики и физические переходы БАВ, а также закономерностей изменения термодинамических свойств БАВ в зависимости от концентрации пластификаторов.
3). Построение на основании полученных экспериментальных данных и анализ диаграмм физических состояний систем БАВ - пластификатор, отражающих температурные и концентрационные границы образования гомогенных смесей, а также двухфазных студней, стеклообразного и высокоэластического состояний смесей.
Выполнение поставленных задач позволило установить качественные и количественные закономерности влияния структуры БАВ на их физико-химические свойства.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1). Впервые получены комплексные данные о структуре, термодинамических характеристиках, физических переходах различных БАВ и процессов с их участием;
2). Впервые измерена теплоемкость в области 4 - 320 К и рассчитаны термодинамические характеристики (за вычетом их значений при абсолютном нуле температур) в области 0 - 320 К многих полисахаридов, белков, лактобацилл, синтетических полимеров и их смесей с пластификаторами;
3). Установлен характер влияния воды на физические переходы БАВ, ее физические состояния в системе БАВ-вода в широкой области температур и концентраций компонентов. Определено количество "свободной" и "связанной" воды в системе; 4). Впервые разработаны и проанализированы диаграммы физических состояний систем БАВ - пластификатор в широкой области температур и во всем интервале концентраций компонентов;
5). Впервые калориметрическим методом на кривой с р=ґ(Т) зарегистрирован переход лактобацилл от анабиоза к жизнедеятельности, а также впервые использован термохимический метод для оценки качества питательных сред для культивирования лактобацилл;
6). Впервые проведено электронно-микроскопическое исследование процесса пластификации некоторых изученных полимеров;
Все эти данные служат фундаментальной основой при изучении биохимических процессов, протекающих в живом организме развивают данное научное направление.
Калориметр для измерения теплоемкости в интервале 4-80 К
Для измерения теплоемкости в интервале 4-80 К использовали адиабатический вакуумный калориметр (ТАУ-1) с автоматизированной системой поддержания адиабатичности условий измерения. Калориметр сконструирован и изготовлен во ВНИИФТРИ {Россия, г. Менделеево Моск. обл.). Конструкция его и методика работы подробно описаны в работах [112-114]. Он отличается от описанного выше калориметра тем, что калориметрическая система погружается непосредственно в стандартный транспортный сосуд Дьюара с жидким гелием. В этом случае снимается проблема перелива жидкого гелия. Кроме того транспортные сосуды Дьюара имеют низкие показатели испарения.что позволяет существенно экономить дорогостоящий хладоагент. Образец помещается в контейнер, представляющий собой емкость из титана, объемом 1 см3. Крышка контейнера уплотнена индиевой прокладкой. Имеются приспособления для заполнения контейнера газообразным гелием для лучшего теплообмена. Контейнер вставляется в гильзу нагревателя, которая подвешивается внутри медного адиабатического экрана на восьми нитях-растяжках. Датчиком температуры в диапазоне жидкого гелия является железо-родиевый термометр сопротивления ТСРЖН-2, откалиброванный по шкале МШТ-90. Между гильзой нагревателя и экраном смонтирована восьмиспайная дифференциальная термопара из проволоки медь-железо/хромель, которая имеет высокую и равномерную чувствительность во всем диапазоне температур от 4 до 80 К. Для автоматизации всех необходимых измерений и поддержания адиабатических условий служит специализированная система сбора данных и управления АК 6.25. Все алгоритмы измерения и управления выполняет IBM PC совместимый компьютер, специальное программное обеспечение которого является основой функционирования системы АК 6.25.
Калориметр позволяет получать значения С веществ в твердом и жидком состояниях с погрешностью 1.5% при Т 10 К, 0.5% в интервале 10-40 К и 0.2% в интервале 40-80 К. Надежность работы калориметра проверялась измерениями С эталонных бензойной кислоты и корунда. 1.3. Калориметр для измерения теплоемкости в интервале 300-650 К Установка представляет собой адиабатический калориметр, подобный описанному в работе [115]. Методика измерений ср принципиально не отличается от описанной выше методики в области низких температур. Температуру измеряли хромель-копелевой термопарой с точностью ±0.1 К, а ДТ - с погрешностью 0.001 К. Продолжительность главного периода измеряли печатающим хронографом с точностью 0.004 с. Калориметр калибровали электрическим током и надежность его работы проверяли, измерив с хлористого калия квалификации "хч" в области 320-650 К. Полученные значения С р КСІ сравнили с надежными литературными данными [116]. Погрешность измерения теплоемкости на указанной установке составляет 1 %. Термодинамические функции веществ Н(Т)-Н(0) и S(T)-SQ(0) рассчитывали интегрированием кривых С=/(Т) и C=/(lnT) соответственно, а функцию Гиббса G(T)-H(0) - по уравнению Гиббса-Гельмгольца. Для расчета термодинамических функций экстраполяцию зависимости C p=f(T) от 4 к 0 К проводили по функции теплоемкости Дебая (4) [108, 118] где п и 0D - специально подобранные параметры. В некоторых случаях для экстраполяции использовали уравнения с;=ВТ2илис;=АТ3[119]. Если измерения проводилось от 80 К, то полученную зависимость Cp=f(T) исследуемого вещества экстраполировали от 80 К к 0 К по методу Келли-Паркса-Хаффмана [120, 121].
Использовали уравнение (5); Здесь С э - измеренная в области 4-330 К теплоемкость эталонного вещества, родственного изучаемому; Т-температура, К. Коэффициенты А и В в уравнении подбирались таким образом, чтобы решение его совпадало с экспериментально определенными значениями С в интервале 80-100 К с погрешностью не хуже 0.3%. Погрешность определения термодинамических функций составляет -1% при Т 20К, 0.5% при 20 Т 50 К и 0.3% в интервале 50-330 К. Как отмечается в работах [122-124], у полимеров наблюдается целый спектр релаксационных переходов, которые характеризуют размораживание (при нагревании) или замораживание (при охлаждении) различных форм движения макромолекул полимера. При каждом релаксационном переходе на температурных зависимостях таких термодинамических функций как энтропия или энтальпия наблюдается излом. По точке излома можно определить температуру релаксационного перехода. Первая производная энтальпии по температуре есть теплоемкость при постоянном давлении, которая претерпевает скачок в температурном интервале перехода. По предложенной в работах [122-124] классификации главный (первичный) релаксационный переход, обозначаемый как а-переход, относят к стеклованию полимера. В стеклообразном аморфном полимере отсутствует дальний порядок в структуре, а его вязкость выше 1013 Пуаз. Стеклообразное состояние аморфного полимера является метастабильным. При стекловании замораживаются колебания кинетических сегментов полимерной цепи. Под кинетическим сегментом понимают последовательность из звеньев цепи, на протяжении которой утрачивается корреляция между ориентацией первого (/-го) и последнего ((Z+nj-ro) звена [62, 122, 125]. Когда полимер находится в стеклообразном состоянии в нем могут проявляться, так называемые, маломасштабные (вторичные) релаксационные переходы, называемые р- и у-переходами. (З-Релаксация относится к движениям участков полимерной цепи, меньших чем сегмент. Как отмечает Перез [124], р-движения обусловлены возможностью появления набора конфигурационных состояний, которые реализуются через быстрые, некоррелируемые вращения наиболее коротких участков цепей. у-Релаксация связана с внутренним вращением в боковых привесках. Если полимерная цепь имеет несколько типов привесков, то может наблюдаться несколько у-переходов.
Препарирование исследуемых объектов
Наиболее распространенным методом препарирования образцов целлюлозы и ее производных для электронно-микроскопических исследований является метод реплик [153, 154]. Реплику - тонкую углеродную пленку, воспроизводящую рельеф поверхности объекта, получали термическим испарением углерода в вакууме. Для увеличения контрастности реплику оттеняли платиной. Напыление углерода и платины производили одновременно. Для этого кусочек платины весом 1-Ю-5 кг наплавляли на углеродный стержень (ОСЧ 7-3, ТУ 01-7-67) диаметром 2-Ю"3 м и длиной 2-Ю"3 м и затем испаряли платину и углерод, пропуская через стержень ток силой 70 А. Для защиты объекта от нагревания излучением между углеродным электродом и объектом помещали металлическую диафрагму с отверстием диаметром 2-10 3 м. Все операции по получению реплик проводили в вакуумной напылительной установке ВУП-4, которая обеспечивала вакуум 1.3-10"3 Па. В установке имелось устройство для контроля толщины напыляемой пленки. Толщина реплики, определенная на интерферометре МИ-4, составляла-10 нм. Для исследования в электронном микроскопе реплику помещали на медную опорную сетку, предварительно промытую в 15% растворе соляной кислоты, дистиллированной воде и ацетоне. Для лучшей адгезии опорную сетку покрывали угольной пленкой - подложкой [153]. Объектами исследования были пленки смесей поливинилхлорида (ПВХ) с полиметилметакрилатом, полученные через расплав, фибриллярный полимер - нитрат хлопковой и древесной целлюлозы с разной степенью замещения ОН-групп целлюлозы нитрогруппами, пластифицированный дибутилфталатом и глобулярный сополимер метилметакрилата (ММА) с метакриловой кислотой (МАК) - 11.4 мас.%, пластифицированный ди-2-этилгексилфталатом. Предварительно структуру полимерных образцов изучали в оптическом микроскопе со стереоскопическим фазовым контрастом MB-30S (Польша) Как рекомендуется в работе [154], с поверхности волокон НЦ и НД снимали одно- и двухступенчатые реплики. Волокна помещали на полистирольную пленку толщиной 3 1 СҐ1 м, полученную из 5% раствора полистирола в ксилоле. Пленку с волокном зажимали между двумя стеклянными пластинами и выдерживали при 353 К в течение 20 минут. Затем НЦ растворяли в ацетоне, а на поверхность полистирольной пленки напыляли угольно-плати но вую реплику под углом 30. Одноступенчатую угольно-платиновую реплику; получали с поверхности волокон НЦ, закрепленных в полистирольной пленке.
Угол оттенения также составлял 30. После растворения полистирола в смеси бензола с четыреххлористым углеродом (1:1) реплика была готова для исследования. Для препарирования образцов НЦ, пластифицированных ДБФ, их раскалывали клиновидным ножом, предварительно быстро охладив в жидком азоте ниже температуры хрупкости. На поверхность сколов при комнатной температуре напыляли у голь но-плати но вую реплику под углом 45. Затем образец с репликой помещала на медную опорную сетку (репликой к сетке), укладывали сетки на фильтровальную бумагу и выдерживали несколько часов в парах ацетона. При этом полимер медленно набухал и растворялся. Окончательно от полимерного образца сетку с репликой отмывали нагретым до 313 К ацетоном. Такой прием позволял сохранить целостность реплики и предотвращал скручивание ее в растворителе. Методика препаривания образца системы НЦ-ДБФ, содержащего 80 мас.% пластификатора, отличалась тем, что напыляли реплику на его поверхность при комнатной температуре (система находилась в высокоэластическом состоянии) и на скол при температуре 100 К (система находилась в стеклообразном состоянии). В целях предотвращения конденсации влаги на поверхности указанного замороженного образца все операции препарирования (скалывание и напыление реплик) проводили непосредственно в вакуумной напылительной установке ВУП-4. Латексные частицы сополимера ММА-МАК закрепляли в расплавленной сахарозе и снимали одно- и двухступенчатые реплики. Угол оттенения платиной составлял 45. Реплику помещали на медную опорную сетку, покрытую для лучшей агезии тонкой угольной пленкой - подложкой. Для исследования процесса гелеобразования в системе сополимер -ДОФ смешивали компоненты в соотношении 1:3 в герметичном сосуде в вакууме 0.6 Па. Смесь перемешивали магнитной мешалкой при 333 К. Через 15 мин. после смешения компонентов система застудневала и мешалка останавливалась (так называемая "точка геля"). Затем систему выдерживали при постоянной температуре и отбирали пробы в "точке геля" через 30 мин., 2, 5 и 10 ч. после момента застудневания. Пробы помещали в стеклянные тонкостенные трубочки диаметром 6-Ю"3 м. Трубочки с образцами надрезали по середине и размещали в специально изготовленном массивном медном блоке. Блок замораживали в жидком азоте, переносили под колпак вакуумного поста и создавали разрежение 6.5-10 3 Па. Затем специальным ножом выступающие части трубочек скалывали и на поверхность образца напыляли реплику. Температуру в процессе манипуляций контролировали термопарой. Таким образом, реплики получали с образцов студней, находящихся в стеклообразном состоянии. Реплики отделяли также, как и в случае пластифицированного нитрата целлюлозы. Изучение структуры смесей ПВХ с ПММА проводили в области их двухфазности в интервале концентраций ПММА 55 - 90 мол.% [156]. Препарирование осуществляли методом ультратонких срезов на ультрамикротоме УМТП-3. На микрофотографиях фаза ПВХ - темная, а ПММА - светлая. Исследовали образцы нитроцеллюлозы, полученные этерификацией хлопкового линта, содержащего 98.3 мас.% а - целлюлозы, при 303 К в течение 35 мин. Нитрующая смесь состояла из HN03 (23.6 мас.%), H2SCXi (60.0 мас.%) и Н20 (16.4 мас.%).
Для стабилизации продукт кипятили в слабокислом (0.3 - 0.5 мас.% H2S04) и слабощелочном (0.1 мас.% Na2C03) водном растворе по принятой методике [157]. Проводимые манипуляции не ухудшали чистоты получающейся НЦ по сравнению с исходной Ц. Полученную НЦ измельчали в роторно-конической мельнице (РК-01). Перед измерениями НЦ сушили в вакууме 0.6 Па при 340 К до постоянной массы. Содержание азота степень замещения ОН-групп Ц нитрогруппами в изученных НЦ представлены в табл.1. Они соответствуют надежным литературным данным [157-159]. Результаты элементного анализа нитроэфиров соответствовали формульному составу с погрешностью метода (±0.5%). Смеси НЦ с нитроэфирами готовили по двухстадийной методике [160]. Нитроэфир добавляли в интенсивно перемешиваемую водную суспензию НЦ при 293 К в течение одного часа. Модуль смеси 1:5. Затем температуру повышали до 323 К и продолжали перемешивание еще один час. По окончании процесса смешения воду отжимали в центрифуге и после созревания массы в течение суток ее обрабатывали на вальцах при 363 К до получения однородного прозрачного полотна. Число прокаток для всех образцов было одинаковым. Содержание пластификатора в смесях контролировали аналитически после вальцевания экстракцией жидкого компонента диэтиловым эфиром в аппарате Сокслетта при температуре бани 308+2 К. Образцы с малым содержанием нитроэфира (менее 30 мас.%) получали в виде тонких прозрачных пленок, отлитых на поверхности стекла из разбавленных ацетоновых растворов. Смеси, содержавшие 70 мас.% и более пластификатора, готовили непосредственным смешением компонентов с добавлением гомогенизатора-диэтилового эфира. После смешения диэтиловый эфир испаряли, а образцы выдерживали в течение двух часов при 363 К. Приготовленные образцы хранились в эксикаторе над СаС12. Эфиры фталево й кислоты [диметилфталат, дибутилфталат и ди-{2-этилгексил)фталат] были квалификации "чистые". Их дополнительно очищали фракционированием при пониженном давлении, как рекомендуется в [161]. Отбирали фракции, имеющие характеристики, представленные в табл.3. [162], которые соответствуют надежным литературным данным [161, 163,164]. Образцы смесей НЦ с о-диалкилфталатами, содержавшие 10-30 мас.% пластификатора, представляли собой пленки, отлитые на поверхности стекла из 5% ацетонового раствора. Смеси с 50 - 70 мас.% жидкого компонента готовили с использованием инертного по отношению к полимеру растворителя - метиленхлорида.
Физико-химические свойства крабового и грибного хитина, хитозана и их смесей с водой
Теплоемкость хитина из молодых грибов "Вешенка" в области 12-320 К и крабовых хитина и хитозана в области 80-450 К измеряли в вакуумных адиабатических калориметрах {п.1.1., п.1.2 и л.1.3) [287-289]. Обезвоженные исследуемые образцы прессовали в таблетки и помещали в калориметрические ампулы. В частности, масса грибного хитина при измерении Ср в калориметре ТАУ-1 составляла 0.3350 г, а в Харьковском - 3.6516 г. Экспериментальные результаты по измерению теплоемкости представлены на рис.71, а усредненные значения теплоемкости и террлодинамические функции изученных образцов хитина и хитозана приведены в табл. 27 - 29. Как видно из рис. 71, теплоемкость хитина, выделенного из различных источников, монотонно возрастает в изученном интервале температур. То, что Ср грибного и крабового хитина различаются, свидетельствует о том, что свойства хитина, в частности, его структура заметно различаются в зависимости от сырья, из которого он выделяется, а также способа выделения и очистки. На это также обращается внимание в работах [90-95]. Подъем на кривых СР=ДТ) хитинов и хитозана при 290 К связан, по-видимому, с начинающимся релаксационным переходом в изученных образцах. Для расчета термодинамических функций теплоемкость крабовых хитина и хитозана экстраполировали от 80 К до 0 К по методу Келли -Паркса - Хаффмана (п. 1.4.1) по аналогии с ходом экспериментально полученной нами кривой С=/"(Т) в том же температурном интервале грибного хитина. Полученные значения энтропии, энтальпии и функции Гиббса нагревания хитинов и хитозана приведены в табл.27-29. Для калориметрического определения растворимости воды в хитине из грибов "Вешенка" готовили непосредственно в калориметрической ампуле его смесь с 89.6 мас.% воды. Температурная зависимость теплоемкости указанного образца представлена на рис.72, а усредненные значения теплоемкости в табл.10 (приложение). Как видно из рис.72, на кривой C =f(T) образца смеси хитина с 89.6 мас.% воды проявляется эндотермический эффект при 273 К, который можно отнести к плавлению фазы избытка воды над ее растворимостью в полимере. Т. е. в образце присутствует вода, растворенная в хитине, ("связанная" вода) и фаза "свободной" воды. По отношению этой величины к удельной энтальпии плавления воды {Ah = 333.79 Дж/г [290]} рассчитали массу кристалов воды [m(H20) = q/Ah].
Зная массу образца (т, г) и массовую долю воды в нем (С2,%), рассчитали растворимость воды в хитине при 273 К в массовых долях (со). Данные двух опытов определения растворимости воды в хитине из грибов "Вешенка" калориметрическим методом приведены в табл.30. Получили, что при 273 К в грибном хитине растворяется 34+0.5 мас.% воды. Нами была также определена энтальпия сгорания [ДсН{т. 298.15), кДж/моль] и образования [ДН т, 298.15 ), кДж/моль] хитина из грибов, как рекомендуется в п. 1.6. В таблице 31 приведены результаты опытов по определению энергии сгорания хитина из грибов. Использованы следующие обозначения: т(х) - масса сгоревшего вещества; ДТ - подъем температуры с поправкой на теплообмен; q(6.K.) и q(H.) - поправка соответственно на сгорание бензойной кислоты и нити; q(HN03) - поправка на образование водного раствора азотной кислоты; Дси - энергия сгорания исследуемого вещества в условиях калориметрической бомбы. Исходя из среднего значения d J, молярной массы (М), с учетом поправки Уошберна и поправки, обусловленной изменением числа молей газов, рассчитаны стандартные величины Дси и ДСН для реакции сгорания хитина: CsH1305N (т) + 8.75 02 (г) - 8С02(г) + 6.5 Н20 (ж) + 0.5N2(r) Они оказались равными: Дси (т, 298.15) = -4005.8И6.7 кДж/моль ДсН(т, 298.15) = -4006.4+16.7 кДж/моль Рассчитана энтальпия образования хитина из грибов в твердом состоянии при 298.15 К ДН хитин,т)=-999.6±16.7 кДж/моль с использованием Д,Н (Н20, ж) и Д(Н (С02, г) [143]. Близкие к нашим значения ДСН = -4011 кДж/моль и Д(Н = -994.5 кДж/моль были получены для хитина из панциря крабов авторами работы [291]. На термограмме обезвоженного хитина из молодых грибов (рис.73, кривая 1) проявляется три релаксационных перехода эндотермического характера. Первый из них в интервале 300-330 К со средней температурой (Tp) 316 К представляет собой вторичный переход (Р-переход). Два других 350-390 К (Тс1 = 376 К) и 405-470 К (Тс2 = 437 К) относятся к расстеклованию. Причем амплитуда первого (Тс0 меньше, чем второго Тс2). Температуры этих переходов у крабового хитина близки к хитину грибному (табл. 32), а для крабового хитозана ниже. В таблице 32 приведены также температуры физических переходов в хитозане из арктического криля [292]. Как видно из табл.32, температуры переходов у последнего выше, чем у хитозана из крабов. Подобный характер релаксаций мы наблюдали у нитратов целлюлозы (п.2.1), а также у ацетатов целлюлозы [6, 219, 220, 255, 264]. Несколько физических переходов у хитозана обнаружил И.Ф. Кайминьш с сотр. [293, 294]. р-Переход можно объяснить либрацией пиранозных колец вокруг глюкозидной связи [7,184,185, 295], а два температурных интервала расстеклования - неоднородной структурой хитина, который как и целлюлоза состоит из аморфных и высокоупорядоченных областей [90-95]. Причем макромолекулярная спираль хитина представляет собой более лабильную систему, чем у целлюлозы [94, 95]. На меньшую упорядоченность хитина по сравнению с целлюлозой указывают результаты исследования энтальпий их взаимодействия с водой и другими растворителями [296], а также сорбционных свойств хитина [96, 297]. Нами была замечена особенность грибного хитина - зависимость температур его релаксационных переходов (Тр,Тс1,Тс2) от возраста грибов. У хитина из старых грибов Тр и Tci повышались на - 10 К, а Т - на 30-40 К {рис.73, кривая 2). Т. е. при старении грибов структура хитина становится более упорядоченной. После второго расстеклования на термограммах хитина и хитозана наблюдалось разложение.
Причем у хитина этот процесс (в атмосфере гелия) эндотермический, а у хитозана - экзотермический. Так у крабового хитина разложение начиналось при 490 К, а температура пика соответствовала 547 К. По данным работы [298] разложение хитина начиналось при 500 К. У крабового хитозана начало разложения соответствовало 450 К, а пик наблюдался при 507 К. Хитозан из криля начинал разлагаться при 465 К, экзотермический пик наблюдался при 517 К. Диаграмма физических состояний системы грибной хитин - вода Нами был проведен ДТА ряда смесей хитина с водой (табл.33). Для предотвращения испарения воды во время опытов образцы загружали в стеклянные герметизируемые тигли. Вода оказывает пластифицирующее действие на хитин, понижая температуры его релаксационных переходов. При этом Тс1 и Ти понижаются на десятки градусов, а Тр практически не изменяется. Аналогичным образом действуют пластификаторы на нитраты (п.2.1) и ацетаты целлюлозы [6, 219, 220, 255, 264]. Как видно из табл.33, понижение температур стеклования хитина происходит до тех пор, пока вода растворяется в хитине. После достижения предела растворимости воды в полимере (со) температуры стеклования (Тс1 и Т ) остаются практически постоянными с увеличением содержания воды в системе. При этом система становится двухфазной. Она состоит из насыщенного раствора воды в хитине и фазы "свободной" воды. В зависимости от термической предыстории двухфазная система может вести себя по-разному. При быстром (-20 К/мин) охлаждении двухфазных смесей застекловывается как насыщенный раствор воды в хитине, так и фаза "свободной" воды. Эта смесь расстекловывается в одном температурном интервале. Температура стеклования ее (T d) ниже, чем насыщенного раствора Тсі (табл.33). После расстеклования на термограмме таких смесей проявляется кристаллизация фазы "свободной" поды из состояния переохлажденной жидкости. При дальнейшем нагревании кристаллы воды плавятся [Тпп{Н20)].
Физико-химические свойства пектина и его смесей с водой
Нами измерена теплоемкость в области 6-330 К и проведен ДТА в области 80-450 К яблочных пектинов марки Classic, выпускаемых ПО Herbstreith&Fox (ФРГ). Были взяты образцы пектинов AS-401 (СЭ=63-65%) и AU-202 (СЭ=68-76%). Молярная масса повторяющегося звена AS-401 равна 185.10 г/моль и AU-202 - 186.22 г/моль. Экспериментальные результаты по измерению теплоемкости пектинов представлены на рис.90 и в приложении (табл.17, 18). Как видно из рис.ЭОа, теплоемкость пектина различной степени этерификации монотонно возрастает в изученном интервале температур. Теплоемкость пектина большей степени этерификации (AU-202) несколько выше (кривая 1). Однако эта разница невелика, а в интервале 250-265 К теплоемкости образцов совпадают. Возрастание теплоемкости при 300 К можно объяснить начинающимся Р-переходом, который по данным ДТА проявляется при Тр=320 К (AS-401) и Тр=332 К (AU-202). У образца пектина AS-401 в интервале 45-65 К на кривой теплоемкости наблюдалась обратимая аномалия эндотермического характера. Средняя температура перехода (Тпер), определенная из графика С РЛ"=/(Т) (рис.906), равна 53 К. Следует отметить, что подобная аномалия наблюдалась у амилозы и крахмала (п.2.4) и связана, по-видимому, с возбуждением колебаний метильной группы около 6-го атома углерода пиранозного кольца. На термограммах пектинов кроме Р-перехода проявилось два температурных интервала расстеклования. Средние температуры их равны ТС1=332.5 К и Тс2=404.5 К для AS-401, а также Тс1=354 К и =399 К для AU-202. Аналогичным образом ведут себя и другие изученные нами полисахариды (пп.2.1 - 2.4). Это объясняется сложной молекулярной и надмолекулярной структурой полисахаридов. Они состоят из высоко упорядоченных и неупорядоченных микрообластей. Разложение пектинов протекает с поглощением теплоты. Эндотермический пик наблюдается при 420 К. Для расчета термодинамических функций пектина AS-401 экстраполяцию зависимости С=ґ{Т) от 6 к 0 К проводили по функции теплоемкости Дебая (4) [108, 118].
Специально подобранные параметры п и о, равны соответственно 20.00 и 204.905 К. Теплоемкость образца AU-202, измеренную от 80 К, экстраполировали от 80 к О К по методу Келли-Паркса-Хаффмана [120, 121]. Коэффициенты А = 1.0602 и В = -0.0002858 в уравнении (5) подобраны таким образом, чтобы решение его совпадало с экспериментально определенными значениями с вещества в интервале 80-100 К с погрешностью не хуже 0.3%. В качестве эталонного вещества в уравнении (5) использовали яблочный пектин AS-401. Так как на кривой Ср=/(Т) пектина AS-401 в интервале 45-65 К на кривой теплоемкости наблюдалась обратимая аномалия эндотермического характера, то при экстраполяции c f пектина AU-202 эту аномалию исключали. Усредненные значения теплоемкости пектинов и их термодинамические функции представлены в табл.46, 47. Для определения растворимости воды в пектинах калориметрическим методом приготовили непосредственно в калориметрической ампуле их бинарные смеси с водой, содержащие 79.1 мас.% (97.5 мол.%) Н20. В качестве примера на рис. 91 представлена температурная зависимость теплоемкости образца AU-202 с 79.1 мас.% Н20. Измерение теплоемкости показало, что при первоначальном быстром (-20 К/мин) охлаждении образца от комнатной температуры насыщенный раствор воды в пектине застекловывается, а фаза "свободной" воды закристаллизовывается (рис.91, участок кривой АВ). При дальнейшем нагревании на кривой C=f(T) данного образца в интервале 180-210 К расстекловывается насыщенный раствор воды в пектине (участок ВС) (Тс=198 К). После этого в системе присутствует высокоэластический насыщенный раствор и кристаллический избыток воды (участок CD). Затем проявляется эндотермический эффект при 272.8 К, который можно отнести к плавлению фазы избытка воды над ее растворимостью в полимере. После плавления фазы воды имеем смесь высокоэластического насыщенного раствора и фазы жидкой воды (участок EF). Сглаженные значения теплоемкости Методом непрерывного ввода энергии в калориметр определили количество теплоты (q, Дж), необходимое для плавления кристаллов фазы "свободной" воды. По формуле (7) рассчитали растворимость воды (со, мас.%) в пектине AS-401 при 271.8 К, а в пектине AU-202 при 272.8 К. Полученные результаты представлены в табл.48, 49. Из полученных данных табл.48, 49) следует, что увеличение степени этерификации пектина вызывает небольшое возрастание предела растворимости воды в полисахариде. Нами были определены энтальпии сгорания [ДсН т. 298.15), кДж/моль] пектинов AU-202 и AS-401 {п. 1.6). По полученным значениям рассчитывали их энтальпии образования в твердом состоянии [ДН (т, 298.15), кДж/моль]. Полисахариды сжигали в виде таблеток вместе с таблетками бензойной кислоты при давлении кислорода 3-Ю6 Па. Массу образца исследуемого соединения определяли по количеству СОг, образующегося при его сгорании. Расчеты проведены для следующих реакций сгорания: для пектина Classic AS-401 (С3 64%, М=185.10 г/моль) Ce.e4H9.2eOe (т) + 5.96 02 (г) - 6.64 С02(г) + 4.64 Н20 (ж); для пектина Classic AU-202 (С3«72%, М=186.22 г/моль) Ce.72H9.44Oe (т) + 6.08 02 (г) - 6.72 С02{г) + 4.72 Н20 (ж). Результаты опытов по определению знергии сгорания AS-401, AU-202 приведены в таблицах 50 - 51 (обозначения как в табл.31). У образцов с массовой долей воды 8.1 - 35 мас.%, как и в случае обезвоженного пектина (рис.92, кривая 1), на термограммах проявилось две области расстеклования и {3-переход с соответствующими им температурами физических переходов ТСІ! Т , Тр. Причем, как и следовало ожидать, при возрастании концентрации воды в системе температуры стеклования понижались, а соответствующий им скачок базовой линии на термограммах увеличивался.
Такое влияние на температуры стеклования полимера оказывает растворенное (распределенное молекулярно) в нем низкомолекулярное вещество. Температура (3-перехода при этом оставалась практически постоянной. Для смесей, содержавших более 35 мас.% воды (рис.92, кривая 3), кроме того, наблюдался эндотермический пик плавления нерастворенной в пектине ("свободной" воды). При таких концентрациях жидкого компонента система становится двухфазной, и фаза "свободной" воды перестает практически влиять на температуру стеклования насыщенного раствора воды в микрообластях пектина разной степени упорядоченности. Массовую долю воды в насыщенном при 273 К растворе ее в пектине AS-401 (ю) определили также по данным ДТА (п.1.7.2) при этом экстраполировали прямую зависимости удельной площади эндотермического пика плавления фазы "свободной" воды (8 = mk/mo6p, где mk - масса кальки, соответствующая площади пика плавления фазы "свободной" воды, тобр - масса образца) от концентрации Н20 на нулевое значение 5. Результаты представлены в табл.53 и на рис.93. На диаграмме: ASB, CED - концентрационные зависимости температур стеклования растворов воды в упорядоченных и аморфных микрообластях пектина, соответственно; отрезки SB и ED - температуры стеклования насыщенных растворов воды в областях пектина различной степени упорядоченности. Причем на диаграмме видно, что насыщение водой более упорядоченных (высокоассоциированных) областей пектина наступает при более низком общем содержании воды в биополимере по сравнению с менее упорядоченными областями (точка S расположена левее точки Е). MN - линия температур Р-перехода пектина. Этот переход связан с либрацией пиранозных колец вокруг глгакозидной связи. В отличие от системы крахмал-вода (рис.89) температура р-перехода остается постоянной при увеличении концентрации воды в ее смесях с пектином. Определенному нами значению концентрации насыщенного раствора воды в пектине (31 мас.%) соответствует вертикаль FEKG. Слева от этой прямой существуют гомогенные растворы воды в пектине, а справа гетерогенные смеси фазы "свободной" воды с насыщенным раствором ее в пектине. Линия KL - концентрационная зависимость температуры плавления кристаллической фазы "свободной" воды. Следует отметить, что в системе пектин-вода наблюдается значительное (на 30 К) понижение Тпл фазы воды (точка К на диаграмме) при увеличении содержания полисахарида в смесях. Такая зависимость Тпл в области двухфазности системы (правее вертикали FEKG) не отвечает правилу фаз Гиббса [310], в соответствии с которым в этой области находятся в равновесии три фазы (насыщенный раствор воды в пектине, сильно разбавленный раствор пектина в воде и кристаллы воды).
