Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 5
Введение 13
1.1 Структура полисахаридов 14
1.1.1 Надмолекулярная организация структурных полисахаридов и биокомпозитов 14
1.1.2 Кристаллическая структура целлюлозы 23
1.1.3 Кристаллическая структура хитина 27
1.2 Нанокристаллы полисахаридов 30
1.2.1 Получение наночастиц полисахаридов 30
1.2.2 Физико-химические свойства нанокристаллов полисахаридов 35
1.3 Композиты на основе полисахаридов 44
1.3.1 Латексный метод получения композитов 45
1.3.2 Использование водорастворимых и вододиспергируемых
полимеров 47
1.3.3 Безводный способ получения композитов 47
1.3.4 Модификация частиц полисахаридов прививкой длинных
цепей 50
1.3.5 Получение композитов методом экструзии и импрегнации 54
1.3.6 Получение композитных волокон 56
1.3.7 Получение многослойных пленок 59
1.3.8 Нанокомпозиты из гелей полисахаридов 61
Глава 2 Экспериментальная часть 65
2.1 Материалы. 65
2.2 Депротеинирование 66
2.3 Модельные эксперименты по набуханию в акриловой кислоте и полимеризации 66
2.4 Получение нанокомпозитов 67
2.5 Методы исследования
2.5.1 Рентгеноструктурный анализ 69
2.5.2 Атомно-силовая микроскопия (АСМ) 70
2.5.3 Инфракрасная спектроскопия (ИК) 70
2.5.4 Электронная микроскопия 71
2.5.5 Динамический механический анализ (ДМА) 72
2.5.6 Испытания на растяжение 72
2.5.7 Реологические испытания 73
2.5.8 Сорбционные свойства 73
2.3.1 Оптическая микроскопия 73
Глава 3 Результаты и обсуждение 74
3.1 Структура -хитина в нативном состоянии и ее изменение при депротеинировании 74
3.2 Набухание депротеинированного -хитина в воде и в водных растворах акриловой кислоты 82
3.3. Полимеризационное наполнение хитина. 89
3.4 Эксфолиация хитина с помощью акриловой кислоты 97
3.5 Структура композиционных материалов на основе хитина и полиакриловой кислоты. 105
3.6 Механические свойства композиционных материалов на основе хитина и полиакриловой кислоты . 107
Заключение 114
Список обозначений и сокращений 120
Список литературы 122
- Надмолекулярная организация структурных полисахаридов и биокомпозитов
- Рентгеноструктурный анализ
- Набухание депротеинированного -хитина в воде и в водных растворах акриловой кислоты
- Механические свойства композиционных материалов на основе хитина и полиакриловой кислоты
Введение к работе
Актуальность. Природные композиционные материалы на основе
структурных полисахаридов (хитина и целлюлозы) отличаются уникальным сочетанием эластичности, низкой плотности с высокими прочностью и износостойкостью. Яркими примерами таких композитов являются материалы, из которых построены экзоскелеты членистоногих, гладиусы кальмаров, клеточные стенки грибов, древесина. Высокие механические характеристики природных нанокомпозитов обусловлены в основном особенностями их надмолекулярной организации, в которой фибриллы полисахарида, обладающие высокими значениями модуля упругости (E = 50–200 ГПа) и высоким характеристическим отношением (l/d > 100), погружены в более мягкую органическую матрицу. Стоит также отметить такие привлекательные свойства нановолокнистых структурных полисахаридов как биосовместимость, биоразлагаемость и широкая распространенность. Зачастую источником фибриллярного наполнителя на основе полисахаридов являются отходы производства [1]. Такой комплекс характеристик полисахаридов, и хитина в частности, определяет значительный интерес исследователей к созданию полимерных нанокомпозитов с наполнителями на их основе. Однако существующие методики выделения нанофибрилл хитина, как правило, сопряжены с изменением его химической структуры за счет реакций гидролиза, окисления и деацетилирования, что приводит к снижению характеристического отношения частиц наполнителя и, соответственно, к уменьшению их армирующего действия на матрицу синтетического полимера. В связи с этим разработка мягкого, не повреждающего структуру нативных волокон метода выделения наночастиц хитина является актуальной задачей. Для оценки эффективности метода выделения и диспергирования наполнителей на основе полисахаридов очень важно контролировать их структуру и ее изменение на всех этапах приготовления композиционного материала.
При создании композиционных материалов, имитирующих природные композиты, белковую матрицу необходимо заменить на синтетическую. Однако для этого надо решить ряд задач связанных, прежде всего, с высокой склонностью нанофибрилл к агрегации [2]. Работа сотрудников Toyota Central R&D Labs Inc., посвященная созданию композита на основе монтмориллонита и полиамида-6 [3], показала высокий потенциал применения полимеризационного наполнения как метода создания композиционных материалов с равномерным распределением наполнителя. Кроме того, при исследовании композитов на основе слоистых алюмосиликатов и полиамида было установлено, что взаимодействие между полимерной матрицей и наполнителем существенно влияет не только на агрегацию частиц, но и на макроскопические механические свойства конечного материала [3].
Выбор в данной работе -хитина в качестве наполнителя обусловлен тем, что эта форма, в отличие от -модификации, образует кристаллосольваты с водой, алифатическими аминами [4] и акриловой кислотой (АК) [5], молекулы которых
встраиваются в кристаллическую решетку полисахарида за счет сильного взаимодействия ацетилглюкозаминового звена с этими низкомолекулярными соединениями. Более того, при температурной обработке набухшего в акриловой кислоте -хитина образуется стабильная ламеллярная структура, которая лучше набухает в воде по сравнению с исходным -хитином. Так как данные низкомолекулярные вещества способны участвовать в реакции полимеризации, набухание -хитина в их растворах представляется перспективным при создании композитов.
Полиакриловая кислота (ПАК) – интересный модельный объект, обладающий высокой селективностью при первапорационном разделении смесей органический растворитель – вода. Однако механические свойства ПАК недостаточно высоки, поэтому при создании мембран часто используют сополимеры полиакриловой кислоты, механические смеси или полиэлектролитные комплексы с другими полимерами [6–10]. Введение высокоанизотропного наполнителя в ПАК для улучшения ее механических характеристик может быть перспективным способом создания мембран для разделения смесей жидкостей. Кроме того, хитин обладает хорошими сорбционными свойствами и ускоряет пролиферацию клеток, а ПАК биосовместима, поэтому данные композиты могут быть полезными при трансдермальной доставке лекарств и терапии ран [11].
Степень разработанности. Известно, что анизометрия формы наполнителя оказывает существенное влияние на механические свойства композитов, и поэтому контроль над структурными изменениями фибрилл полисахарида при их выделении из источника и последующем получении композита является необходимым условием для достижения требуемого уровня свойств конечного материала и разработки эффективных методов его получения. Подобный подход в литературе не описан, однако существует некоторый задел по каждому из этапов.
Бльшая часть работ по исследованию природных композитов на основе
хитина посвящена изучению надмолекулярной организации экзоскелетов
членистоногих [12–16]. В 2014 году F.-C. Yang с соавторами [17] предложила модель упаковки хитин-протеинового комплекса гладиуса головоногих моллюсков. Однако авторы не депротеинировали образцы, поэтому представленная ими модель упаковки неоднозначна. При выделении хитина из природных композитов исследователи определяли влияние условий депротеинирования и декальцинирования хитина из различных источников на молекулярную массу хитина, степень его ацетилирования и содержание остаточного белка [18]. R.L. Lavall с соавторами [19] более подробно исследовал выделение -хитина из гладиусов кальмаров рода Loligo и сравнивали результаты с данными для -хитина. Большинство исследований процесса депротеинирования было сфокусировано на химической и кристаллической структуре хитина, однако внимание, которое уделяется изменениям на надмолекулярном уровне, представляется недостаточным.
Изменения в кристаллической структуре -хитина, происходящие при его набухании в воде и других низкомолекулярных веществах, также являлись предметом
ряда исследований, им посвящена классическая работа J. Blackwell 1969 года [20]. Развитие дифракционных методов исследований с применением синхротронного и нейтронного излучения позволило на качественно новом уровне изучить изменение структуры -хитина при его набухании. Так K. Kobayashi с соавторами [21] исследовали процесс образования моногидрата хитина, а D. Sawada с соавторами [22] – структуру дигидрата -хитина и его водородных связей. Изучению кристаллической структуры -хитина при его набухании в воде и в концентрированных растворах соляной кислоты посвящена работа Y. Saito с соавторами [23]. Кристаллическую структуру -хитина при взаимодействии с акриловой кислотой исследовали в работе [5]. Стоит отметить, что все эти работы посвящены изменениям, происходящим в процессе набухания в кристаллической решетке -хитина, а не превращениям его надмолекулярной организации.
Созданию композитов на основе хитина и полиакриловой кислоты посвящены
лишь две работы. S. Tanodekaew с соавторами [24] прививали на -хитин акриловую
кислоту, а затем проводили полимеризацию. Авторы контролировали степень
модификации, исследовали термостабильность композитов, а также их
биосовместимость, однако структура композита и его механические свойства не были исследованы. T.T. Nge с соавторами [25] получили композит на основе полиакриловой кислоты с использованием ориентированных в магнитном поле кристаллов -хитина. Полученный материал обладал упорядоченной структурой, однако в качестве наполнителя были использованы частицы, полученные кислотным гидролизом и обладающие невысоким характеристическим отношением.
Цель работы – разработка метода получения композиционного материала на основе полиакриловой кислоты и -хитина методом полимеризации in situ.
Основными задачами исследования были: Изучение структурных изменений, происходящих с -хитином в процессе выделения нанофибриллярного наполнителя и получения композиционного материала на его основе.
Разработка метода эксфолиации -хитина.
Подбор оптимальных условий получения композиционного материала на основе полиакриловой кислоты методом полимеризации in situ. Исследование влияния степени наполнения на механические свойства композита.
Научная новизна. Впервые предложена модель упаковки хитин-протеинового комплекса гладиуса кальмара Berryteuthis magister. Изучены структурные изменения, происходящие с -хитином при его депротеинировании, набухании в воде и в водных растворах акриловой кислоты, а также в процессе полимеризационного наполнения. Впервые показано, что макроскопическое набухание и полимеризационное наполнение происходит преимущественно за счет увеличения межфибриллярного пространства -хитина. Разработан новый метод эксфолиации (диспергирования) депротенированного хитина, позволяющий получать фибриллы полисахарида с характеристическим отношением более 200. Проанализировано влияние степени наполнения на механические свойства композиционных материалов на основе
полиакриловой кислоты и -хитина. Определена роль химических и физических узлов сетки зацеплений в повышении модуля упругости композитов в сравнении с полиакриловой кислотой.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты выполненной работы расширяют представление о структуре гладиуса кальмара как природного композиционного материала, а также о ее превращениях при выделении фибрилл полисахарида. Разработанная методика эксфолиации -хитина может быть использована при создании композитов на основе других синтетических или природных полимерных матриц, а также гидрогелей и аэрогелей. Композиционные материалы на основе полиакриловой кислоты и хитина являются перспективными для использования в качестве первапорационных мембран при разделении смесей органический растворитель – вода.
Методология и методы исследования. Структурные исследования в работе проводили с применением следующих методов: поляризационная оптическая микроскопия, рентгеноструктурный анализ, просвечивающая электронная и атомно-силовая микроскопия, ИК-спектроскопия. Механические характеристики композитов былы изучены в ходе реологических испытаний, испытаний на растяжение, а также методом динамического механического анализа.
Положения, выносимые на защиту:
-
Модель упаковки хитин-протеинового комплекса гладиуса кальмара Berryteuthis magister, построенная на основании структурных данных.
-
Результаты исследования структурных изменений -хитина при набухании в воде и в водных растворах акриловой кислоты, а также при полимеризационном наполнении полиакриловой кислотой.
-
Метод выделения нанофибрилл -хитина путем эксфолиации (диспергирования) депротеинированного гладиуса под действием слабых растворов акриловой кислоты.
-
Возможность равномерного распределения фибрилл -хитина в матрице полиакриловой кислоты при использовании метода полимеризации in situ.
-
Результаты исследования механических свойств композитов при различной влажности воздуха и их связь с содержанием воды в композите.
-
Анализ вклада химических и физических узлов сетки зацеплений в повышение механических свойств композиционного материала.
Личный вклад автора. Основные результаты, изложенные в диссертационной
работе, получены лично соискателем. Она провела анализ литературы, синтез
композиционных материалов и исследование их структуры и свойств. Богданова О.И.
обрабатывала результаты измерений образцов, проведенных методами
большеуглового и малоуглового рентгеновского рассеяния, и на их основе изучала структурные изменения -хитина при депротеинировании, набухании в воде и в водных растворах акриловой кислоты, а также при полимеризационном наполнении полиакриловой кислотой. На основании полученных данных ею предложена модель упаковки хитин-протеинового комплекса гладиуса кальмара. Автор исследовала
структуру эксфолиированного -хитина, анализируя данные атомно-силовой и
просвечивающей электронной микроскопии. Богданова О.И. использовала метод
динамического механического анализа для исследования механических
характеристик композиционного материала, которые затем сопоставляла с данными реологических испытаний, а также испытаний при растяжении. Автор приняла непосредственное участие в анализе полученных результатов и подготовке статей.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность полученных в работе данных обеспечивается высоким
экспериментальным уровнем исследования с применением широкого спектра
методов. Результаты работы были представлены на следующих международных и
всероссийских конференциях: 1, 2, 3 и 4 Всероссийская с международным участием
школа-конференция для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и
полимерные нанокомпозиты» (пансионат «Союз», Московская область, Россия, 2009–
2012), 1-й русско-греческий симпозиум по полимерным биоматериалам и
бионаноматериалам: последние достижения в вопросах безопасности и токсикологии
(Ираклион, Греция, 2010), 11-я международная конференция «Современные
перспективы в исследовании хитина и хитозана» (РосХит) (Мурманск, Россия, 2012),
ХХI Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем»
(Пансионат «Яльчик», Республика Марий-Эл, Россия, 2014), VI Всероссийская
Каргинская конференция «Полимеры-2014» (Москва, Россия, 2014), 4-я
международная конференция по мультифункциональным, гибридным и
наноматериалам (HYMA) (Сиджес, Испания, 2015).
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа изложена на 156 страницах и содержит 53 рисунка, 5 таблиц и 334 источника литературы. Структура изложения включает введение, литературный обзор (глава 1), экспериментальную часть (глава 2), обсуждение результатов (глава 3), заключение, список сокращений и список литературы.
Надмолекулярная организация структурных полисахаридов и биокомпозитов
Для контроля ориентации фибрилл необходимо, чтобы клетка обладала способностью направлять аппарат для прядения при формировании клеточной стенки, что достигается за счет сложной взаимосвязи между синтазным комплексом прядильного домена и микротрубочками клеточного цитоскелета [66, 67]. Ферментные комплексы для синтеза целлюлозы имеют различную структуру (Рисунок 6) [68], состоящую из белков, способных синтезировать молекулы целлюлозы из глюкозы [69–72]. Архитектуру микрофибриллы определяет форма синтазных комплексов [73]. Эти комплексы двигаются вперед под действием выделяемого продукта, и направление их движения зависит от кортикальных микротрубочек, расположенных под цитоплазматической мембраной (Рисунок 7) [74–78]. Кроме влияния на направление синтеза, пространственная организация микротрубочек также обуславливает длину фибрилл [79]. Формирование вторичной клеточной стенки – процесс образования биокомпозита из фибрилл и матричных полимеров. На начальном этапе дифференциации клеток синтезированные волокна целлюлозы взаимодействуют с гемицеллюлозами и тем самым создают первичную клеточную стенку [70, 79]. Гемицеллюлозы – это менее упорядоченные полисахариды, которые состоят из различных сахаров с привитыми к ним боковыми цепями. Полагают, что они действуют в качестве связующего для фибрилл целлюлозы, но, возможно, выполняют и другие важные функции, как при формировании клеточной стенки, так и при росте клеток [71–73]. Заполнив пространство между синтезированными фибриллами целлюлозы, гемицеллюлозы препятствуют агрегации волокон. В то же время, взаимодействие гемицеллюлоз с фибриллами целлюлозы за счет большого количества водородных связей стабилизирует волокна в матрице и придает клеточной стенке определенную пластичность. Она важна для роста клетки, который требует существенной перестройки клеточной стенки [62, 71, 73, 75–79]. Рисунок 6 – Схематическое изображение синтазных комплексов целлюлозы различных таксонов растений (каждый серый круг – субъдиница/цепь): а – травянистые растения, деревья, зеленые водоросли (Micrasterias) (6 субъединиц/цепей); б – оболочник (Metandroxarpa uedai) (точное количество цепей неизвестно); в – зеленые водоросли (Valonia) (10– 12 субъединиц/цепей); г – красные водоросли (Erythrocladia) (4 субъединицы/цепи); д – желто-зеленые водоросли (Vaucheria) (1 субъединица/цепь); е – бактерии (Acetobacter) (16 субъединиц/цепей) [68].
При достижении клеткой своих окончательных размеров происходит одревеснение (лигнификация) клеточной стенки. Лигнин встраивается в существующую клеточную стенку в виде тримеров и полимеризуется в стенке, образуя взаимопроникающую сеть [80–84]. Недавние исследования показали, что лигнификация является более сложным процессом, чем просто заполнение пустот в пористой первичной стенке из целлюлозы и гемицеллюлозы. Она инициирует жесткое связывание компонентов клеточной стенки [85]. Ковалентные связи, образуемые между лигнином и гемицеллюлозой, повышают амфифильный характер последней и улучшают сродство матрицы к поверхности фибрилл целлюлозы [85].
При изучении процессов биосинтеза хитина в грибах было обнаружено, что хитин-синтаза (второе семейство гликозилтрансфераз) располагается во внутриклеточном пространстве [86, 87]. Для синтеза хитина требуется урацилдифосфат-N-ацетилглюкозамин в качестве мономера и один двухвалентный катион (обычно Mg2+) в качестве кофактора. При исследовании клеток грибов были обнаружены хитосомы – главный резервуар хитин-синтазы в грибах. Специфический размер, плотность ниже 1 г/см3 и толщина мембраны отличают хитосомы грибов от других органелл. Они также способны обратимо диссоциировать на 16S субъединицы [88]. Хитосомы описаны только для грибов [89–91] и являются специализированными внутриклеточными компартментами. Они отличаются от секреторных везикул по липидному и белковому составу [92, 93]. Хитосомы являются средством доставки интегрированной в мембрану хитин синтазы к поверхности клетки. Однако остается открытым вопрос о роли хитин-синтазы в структуре и функциях хитосомы и ее интеграции с клеточной поверхностью для построения организованного микрофибриллярного каркаса клеточной стенки [94].
В 1974 J. Ruiz-Herrera и S. Bartnicki-Garcia [87] смогли осуществить синтез нанофибрилл хитина in vitro, используя «водорастворимую» хитин-синтазу из Mucor rouxii (Рисунок 8). Исследование частиц методом рентгеновской дифракции показало, что степень кристалличности фибрилл, полученных in vitro, близка к кристалличности хитина из клеточной стенки дрожжей Mucor rouxii. Следует подчеркнуть, что воспроизводимый в пробирке естественный биосинтез хитина не имеет ничего общего с искусственным синтезом олигомерного хитина при полимеризации оксазолиновой хитобиозы, катализируемой хитиназой, или другим методом с использованием органического растворителя [95, 96].
Биосинтез хитина протекает в три этапа: на первом – ферментный домен около внутренней поверхности плазматической мембраны синтезирует полимер; второй этап включает перенос формирующегося полимера через мембрану и его высвобождение в межклеточное пространство, на третьем – одиночные цепи спонтанно собираются с образованием кристаллических микрофибрилл [97]. В последующих реакциях микрофибриллы соединяются с другими сахарами, белками, гликопротеинами и протеогликанами для формирования грибковых перегородок и клеточных стенок, а также кутикулы и перитрофической мембраны членистоногих, в частности ракообразных и насекомых. В настоящее время знание структуры, топологии и каталитического механизма хитин-синтаз довольно ограничено, существуют пробелы в понимании биосинтеза, регулирования активности ферментов, переноса цепей хитина через клеточные мембраны, фибриллогенеза и взаимодействия микрофибрилл с другими компонентами внеклеточного матрикса. Тем не менее, в данный момент происходит активное накопление данных о функциях хитин-синтазы и ее регулировании при помощи геномных исследований хитин-синтазы и новых экспериментальных подходов [97].
Рентгеноструктурный анализ
При определенных условиях за счет формирования водородных связей суспензии нанокристаллов полисахаридов способны образовывать гели. Водные суспензии, содержащие 0,4 мас.% нанокристаллов целлюлозы из пульпы мягких пород древесины, способны образовывать прозрачные гели с удивительно жесткой и однородной структурой, причем упругое поведение гидрогеля зависит от условий механического перемешивания [294]. При увеличении концентрации водные дисперсии нанокристаллов хитина превращаются из текучего золя в гель, в котором присутствуют нематически упорядоченные домены [197]. Было обнаружено, что при замене растворителя нанокристаллы целлюлозы образуют стабильные макроскопические органогели в спирте [295] или в ацетоне [296]. Наноматериалы с высокой пористостью и удельной поверхностью, а также с низкой плотностью – аэрогели могут быть изготовлены из гидрогелей методом сублимационной сушки [297] или сушки с использованием сверхкритического СО2 [298, 299] (Рисунок 24 А).
Введение жестких нанокристаллов полисахаридов в полимерную матрицу для получения композитного геля улучшает стабильность структуры и увеличивает модуль упругости. В настоящее время созданы композитные гели на основе нанокристаллов целлюлозы и синтетических матриц, таких как ПВС [300] (Рисунок 25 Б), полиакриламид [301, 302], а также природных полимерных матриц, например, регенерированной целлюлозы [303] (Рисунок 25 В), агарозы [304, 305] и циклодекстрина [306]. Путем сшивки in situ получены химически сшитые гели на основе нанокристаллов целлюлозы и сополимера метилвинилового эфира и малеиновой кислоты [307]. Сшитые наногели способны абсорбировать до 900 % воды [308].
Композиты на основе полисахаридов получают широким набором методов. Выбор конкретного метода во многом зависит от специфики пары матрица-наполнитель. Кроме того, гидрофильная природа наночастиц полисахаридов накладывает ограничения на использование гидрофобных водонерастворимых и/или не диспергируемых в воде полисахаридов. Исследователи предпринимают многочисленные попытки преодолеть данную несовместимость, но далеко не все подходы оказываются удачными. Несмотря на это удалось достичь хороших результатов при модификации поверхности наночастиц длинными цепями полимера, так как это позволяет улучшить сродство полимера и полисахарида, но не приводит к полному экранированию его поверхностных гидроксильных групп. Использование водорастворимых полимеров позволяет получать по настоящему однородные композиты, но, к сожалению, спектр применения подобных материалов ограничен вследствие их чувствительности к воде.
В настоящем обзоре показано, каким образом организованы природные нанокомпозиты, такие как древесина и экзоскелеты членистоногих, обладающие выдающимися физико-механическими свойствами. Поведение этих материалов определяется прежде всего особенностями их надмолекулярной структуры, где частицы фибриллярного наполнителя с высоким характеристическим отношением погружены в полимерную матрицу. Следовательно, при создании композитов-биомиметиков на основе синтетических полимеров и природных полисахаридов первым важным этапом является выделение наночастиц хитина и целлюлозы с наименьшим повреждением их нативной структуры. Высокие механические свойства природных композитов обусловлены в том числе равномерным распределением нанофибрилл структурных полисахаридов в матрице белка или лигнина. При создании синтетических композитов равномерность распределения обеспечивают условия синтеза и часто промышленные подходы, такие как смешение в расплаве, демонстрируют неудовлетворительные результаты вследствие агрегации и/или деструкции наполнителя. В данном обзоре рассмотрены различные методы получения композитов на основе наночастиц структурных полисахаридов, которые в большинстве направлены на поиск способа преодолеть несовместимость гидрофильного наполнителя и гидрофобной полимерной матрицы. Тем не менее, необходимо отметить, что при создании нанокомпозитов на основе полисахаридов и синтетических полимеров пока не удается достичь тех значений прочности, модуля упругости, изностойкости, которыми характеризуются природные композиты, при сохранении их эластичности. В связи с этим поиск новых путей создания композитов, имитирующих природные материалы (биомиметиков), является актуальной задачей современной полимерной науки [309].
В связи с этим были сформулированы следующие задачи исследования: 1. Исследование структурных изменений, происходящих с -хитином в процессе выделения нанофибриллярного наполнителя и получения композиционного материала на его основе. 2. Разработка метода эксфолиации -хитина. 3. Подбор оптимальных условий получения композиционного материала на основе полиакриловой кислоты методом полимеризации in situ. 4. Исследование влияния степени наполнения на механические свойства композита.
Набухание депротеинированного -хитина в воде и в водных растворах акриловой кислоты
Тем не менее, при сушке набухшего в акриловой кислоте хитина при температуре 155 С рефлексы 010 и 100 восстанавливаются. Величина межплоскостного расстояния d0m в высушенном образце, предварительно набухшем в акриловой кислоте, при температуре 155 С составляет 12,6 . Это значение меньше, чем в -хитине набухшем в водном растворе акриловой кислоты (17,6 ), но больше чем в исходном депротеинированном хитине (10,6 – 10,8 ). В межслоевом пространстве может находится как АК, так и ПАК, так как при нагреве до 155 С возможна полимеризация акриловой кислоты [318].
Таким образом, изменение структуры хитина при набухании в воде и в водных растворах акриловой кислоты определяется двумя факторами: наличием капиллярных пустот и образованием комплексов воды с функциональными группами хитина. Количество капиллярных пустот и равновесная степень набухания хитина зависят от предыстории образца. Наибольшей степенью набухания обладает не подвергавшийся высушиванию депротеинированный хитин. Набухание сопровождается увеличением межплоскостного расстояния вдоль оси b, однако это не вносит большой вклад в макроскопическое набухание образца. Решающую роль в данном процессе играет набухание межфибриллярного пространства, которое происходит равномерно в поперечном сечении гладиуса. Эти данные позволяют понять механизм дезинтегрирующего воздействия воды и АК на хитин, и выбрать оптимальный вариант управления этим процессом.
Для исследования структуры хитина и ее изменения при полимеризационном наполнении использовали образцы депротеинированных гладиусов, в которых сохранялась ориентация фибрилл. Это позволило однозначно интерпретировать структурные изменения, происходящие с -хитином в процессе полимеризации АК.
При проведении полимеризации акриловой кислоты при комнатной температуре в присутствии набухшего в мономере хитина и при небольших концентрациях инициатора (Н202 0,05 мол.% и ниже по мономеру) наблюдали медленное увеличение макроскопических размеров депротеинированного гладиуса и его «обрастание» полимером, в то время как вязкость окружающего раствора возрастала незначительно. При этом вес образца (после испарения низкомолекулярных веществ: АК и воды) возрастал в 10 и более раз, а сам хитин в образце сильно фрагментировался, демонстрируя тем самым дезинтеграционные возможности полимеризационного наполнения. Дальнейшая фрагментация хитина происходила и при повторной полимеризации с новой порцией раствора мономера, содержащего инициатор. Исходя из этих наблюдений можно сделать вывод, что при низких концентрациях инициатора происходит полимеризационное наполнение хитина полиакриловой кислотой.
Проведение полимеризации акриловой кислоты также приводит к восстановлению ориентации кристаллитов и рефлекса 010, как и сушка набухшего в акриловой кислоте образца, но при полимеризационном наполнении ослабляются интенсивности всех рефлексов хитина (Рисунок 37). Последнее является следствием «разбавления» хитина ПАК. Межплоскостное расстояние, соответствующее рефлексу 010, в образце ПАК/хитин равнялось 12,6 , что совпадает с соответствующим межплоскостным расстоянием в образце АК/хитин, высушенном при температуре 155 С. Это наблюдение можно объяснить двумя гипотезами. Первая возможная причина заключается в том, что акриловая кислота в межслоевом пространстве хитина остается неизменной как при термообработке, так и при полимеризационном наполнении. Другим объяснением этого эффекта может быть то, что высокотемпературная обработка и полимеризационное наполнение приводит к образованию полимерной цепи в межслоевом пространстве хитина. Расстояние между соседними слоями вдоль оси Ъ в безводном -хитине составляет 9,2 . При проведении полимеризационного наполнения или температурной обработки набухшего в АК хитина данное межплоскостное расстояние увеличивается до 12,6 . Таким образом, ПАК (или АК) в межслоевом пространстве кристаллита после описанных процессов занимает около 30 % от объема хитина. Этого объема достаточно, чтобы разместить цепь полиакриловой кислоты в вытянутой конформации при d010 = 12,6 . Данное предположение подтверждается работой Saito с соавторами [319], которые обнаружили, что при термообработке при температуре 105 С в течение 15 дней набухшего в акриловой кислоте -хитина образуется стабильная ламелярная структура с d010 равным 12,6 . Таким образом, как акриловая, так и полиакриловая кислота могут находиться в межслоевом пространстве -хитина при его полимеризационном наполнении. Лишь косвенные данные позволяют предполагать, что АК полимеризуется в межслоевом пространстве кристаллической решетки -хитина.
Механические свойства композиционных материалов на основе хитина и полиакриловой кислоты
Механические свойства композита при низких значениях относительной влажности определяются прежде всего свойствами матрицы (Рисунок 53). При расстекловывании, которое происходит при комнатной температуре в интервале влажности воздуха 53,6–75,3 %, собственные механические свойства полимерной матрицы падают, и относительный вклад наполнителя становится более заметным. По мере увеличения содержания хитина в композите модуль Юнга также возрастает. Наиболее ярко эта зависимость проявляется в диапазоне влажности 75,3–97,5 %. При влажности 75,3 % модуль упругости композитов с 1, 2 и 3 % содержанием хитина составляет около 420, 1000 и 2600 МПа, в то время как модуль чистой полиакриловой кислоты составляет 230 МПа. Значения модуля Юнга для композитов с различным содержанием хитина представлены в таблице 5.
Как и в случае сорбционных кривых, механические свойства композиционных материалов и матрицы наиболее заметно меняются при переходе от 97,5 % к 100 % относительной влажности. Если при относительной влажности 97,5 % модуль Юнга композитов с 1, 2 и 3 % содержанием -хитина и чистой ПАК составляет 2100, 230, 150 и 65 МПа соответственно, то при влажности 100 % значения модуля Юнга падают до 52, 3,9, 4,2 и 0,85 МПа соответственно. Количество молекул воды, приходящихся на одно мономерное звено композита и матрицы, становится больше 1. Можно предположить, что при этом водородные связи между полимерными цепями полиакриловой кислоты, а также между полиакриловой кислотой и хитином, разрушаются. Это приводит к резкому уменьшению количества физических узлов зацеплений, напряжение практически не передается с матрицы на наполнитель и модуль Юнга композита уменьшается. Тем не менее, важно отметить, что даже при 100 % влажности воздуха модуль Юнга композиционных материалов выше, чем у чистой полиакриловой кислоты. Особенно существенно и скачкообразно он изменяется при переходе от 2 до 3% в содержании наполнителя. По-видимому, в этом диапазоне концентраций достигается порог перколяции. Взаимодействие между фибриллами хитина при достижении порога перколяции могут происходить через образование водородных связей [45]. Эти водородные связи, вероятно, не разрушаются при увеличении количества сорбированной воды. Косвенным подтверждением этой гипотезы является изменение равновесной степени набухания депротеинированного гладиуса после его сушки. После депротеинирования степень набухания гладиуса составляет х9–11. Однако, если депротеинированный гладиус высушить, то при последующем набухании его равновесная степень набухания будет равна лишь х2,5. При сушке депротеинированного образца белковая матрица уже не препятствует сближению фибрилл хитина и между ними могут образовываться водородные связи. Необратимость изменения равновесной степени набухания при сушке указывает на то, что взаимодействие фибрилла–фибрилла более термодинамически выгодно, чем взаимодействие фибрилла–вода, и связи между фибриллами не разрушаются под действием этого растворителя. Тем не менее, важно учитывать то, что ПАК и хитин в композите химически связаны, что может способствовать дополнительной жесткости «каркаса» из фибриллярного наполнителя.
Таким образом, разработан метод эксфолиации -хитина из гладиуса кальмара в мягких условиях под действием акриловой кислоты. Выделенные фибриллы хитина обладают высоким характеристическим отношением ( 200). Эксфолиированный хитин был использован для получения композита на основе полиакриловой кислоты методом полимеризации in situ. Данные композиты ограниченно набухают в воде вследствие химической сшивки матрицы и наполнителя. Показано, что физические узлы зацеплений играют большую роль в улучшении механических свойств композита относительно полиакриловой кислоты. Изучена зависимость механических свойств композиционных материалов в зависимости от влажности окружающего воздуха [334].