Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Молекулярно - массовый состав фотографических желатин 12
1. Коллаген - источник желатины: структура и свойства 12
1.1. Первичная структура коллагена 13
1.2. Типы коллагена 15
1.3. Образование фибрилл коллагена 22
1.4. Пространственное строение коллагена 24
1.5. Переходы клубок спираль и их обратимость 26
1.6. Влияние рН и ионной силы на свойства растворов коллагена 27
1.7. Адсорбция коллагена из растворов 28
2. Желатина важнейшая составляющая светочув ствительных фотографических материалов 30
2.1. Методы исследования молекулярно-массового состава фотографических желатин 39
2.1.1. Электрофорез в полиакриламидном геле 39
2.1.2. Высокоэффективная жидкостная хроматография 48
2.2. Анализ фракционного состава фотографических желатин 51
Глава 2. Механизм дубления 65
2.1. Модификация желатины 65
2.2. Классификация дубителей 70
2.2.1. Карбонильные соединения 72
2.2.2. Эпоксидные (оксирановые) соединения 77
2.2.3. Азиридиновые соединения 81
2.2.4. Соединения с активированными кратными связями 81
2.2.5. Соединения с активным галогеном 84
2.2.6. Изоцианаты и их производные 86
2.2.6. Изоцианаты и их производные 86
2.2.7. Производные карбоновых кислот 88
2.2.8. Соединения со смешанными функциями 89
2.2.9. Полимерные дубители 91
2.3. Процесс химической модификации желатины в объеме водной фазы 94
2.3.1. Определение реакционной способности отдельных фракций желатины по отношению к дубителям различных классов 99
2.3.2. Гидродинамические параметры макромолекул желатин, модифицированных дубителями 115
2.3.2.1. Изменение предельного числа вязкости, инкремента вязкости и осевого соотношения макромолекул желатин при химической модификации дубителями (по данным каппилярной вискозиметрии) 115
2.3.2.2. Метод квазиупругого рассеяния лазерного света 124
2.3.3. Характеристика химически модифицированных желатин методом ]Н ЯМР - спектроскопии 129
Глава 3. Влияние дубления на поведение фотографических желатин на границах раздела фаз 144
3.1. Адсорбционные слои желатины. 144
3.1.1. Адсорбционные слои модифицированных желатин 148
3.1.1.1. Система желатина - ПАВ 148
3.1.1.2. Адсорбционные слои химически модифицированных желатин 150
3.2. Монослои химически модифицированных желатин 152
3.2.1. Монослои коллагена и желатин 152
3.2.2. Метод весов Ленгмюра 158
3.2.3. Изотермы двумерного давления монослоев желатины, модифицированной тетраоксиметилмочевиной (ЛИКИ - 1) 161
3.3 Реологические свойства межфазных адсорбционных слоев 180
3.3.1. Эластовискозиметр Ребиндера - Трапезникова 187
3.3.2. Реологические свойства химически модифицированных желатин на границе двух несмешивающихся фаз 190
3.4. Смачиваемость гелей желатины 197
Глава 4. Технологические испытания 210
4.1. Объекты и методы исследования 211
4.2. Результаты технологических испытаний и их обсуждение 212
Выводы 217
Список литературы 220
Приложения 240
- Влияние рН и ионной силы на свойства растворов коллагена
- Анализ фракционного состава фотографических желатин
- Процесс химической модификации желатины в объеме водной фазы
- Реологические свойства химически модифицированных желатин на границе двух несмешивающихся фаз
Введение к работе
Желатина является природным биополимером, к которому не ослабевает интерес исследователей в течение многих лет.
Необычайно длительный срок использования желатины в фотографических эмульсиях объясняется редким сочетанием целого комплекса ее природных свойств, трудно поддающихся полному воспроизведению при получении синтетических заменителей желатины.
Несмотря на стремительное развитие цифровой фотографии в последние годы, галогенсеребряные фотоматериалы, обладающие высокой светочувствительностью, широким диапазоном спектральной чувствительности, сверхвысокой информационной емкостью и замечательным качеством изображения, ещё не исчерпали своих удивительных возможностей для совершенствования.
Функции желатины в фотографических слоях многогранны. Проявляя фотографическую активность, желатина выступает защитным коллоидом по отношению к галогенидам серебра, регулирует химический состав светочувствительных зерен, влияет на их рост, структуру и степень дисперсности, а также на процессы проявления скрытого изображения, обладает бромакцепторной способностью и т.д.
Желатина - продукт разрушения коллагена Фотожелатины, как правило, получают из коллагена 1 и представляют собой набор в какой-то мере модифицированных полипептидных цепей коллагена, обычно относимым к а-, (3-, у- цепям и их фрагментам, а- Цепи сохраняют аминокислотную последовательность коллагена за исключением телопептидов, которые отделяются от полипептидной цепи в процессах получения желатины. Остальные фракции появляются в результате более или менее случайных сшивок и разрушения пепидных связей в а-цепях.
Таким образом, желатина представляет собой набор полипептидных цепей различного состава, что неминуемо ведет к разнообразию свойств желатин. Различные по молекулярным массам фракции отличаются своими коллоидно-химическими, физико-химическими, конформационно-конфигурационными параметрами и реакционной способностью. В то же время, знания о природе желатин позволят целенаправленно регулировать свойства светочувствительных материалов путем варьирования состава желатин. В связи с этим, актуальной является задача определения молекулярно-массового состава (ММС) фотографических желатин и нахождения корреляции между ММС и фотографическими свойствами желатин.
Не менее важной современной задачей является нахождение путей усиления ряда функций желатины, что может быть достигнуто химическими модификациями полипептидных цепей желатины. Так модифицирование желатины является эффективным способом регулирования коллоидно-химических свойств желатины. Химическое модифицирование желатины приводит к изменению гидрофильно-липофильного баланса макромолекул. Модифицированные желатины могут составить новый класс высокомолекулярных поверхностно-активных веществ заданного состава. Вместе с тем, такие системы мало изучены.
Хорошо известно, что в процессе изготовления кинофотоматериалов, в частности в процессе дубления, происходит модифицирование желатины, что существенно изменяет ее свойства. Однако до сих пор управлять процессом дубления не представляется возможным. Решение проблемы заключается в установлении механизма процесса дубления в зависимости от ММС желатин и химической природы дубителя.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ состояла в изучении ММС широко применяемых на практике фотографических желатин; в комплексном изучении влияния природы и ММС желатин на механизм процессов дубления, а также в исследовании зависимости важнейших потребительских свойств желатин от ММС, природы дубителей, механизма дубления и глубины протекания процесса.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
1. Впервые охарактеризован молекулярно-массовый состав промышленных фотографических желатин. Установлено широкое варьирование фракционного состава желатин, показано определяющее значение технологии получения и исходного сырья на ММС.
2. Впервые проведено комплексное исследование влияния природы и ММС желатин на механизм химической модификации, используемой в процессе дубления. Установлены зависимости важнейших свойств желатин (конформационное состояние полипептидных цепей в водных растворах, особенности формирования поверхностных и межфазных слоев, а также физико-механические свойства пленок) от молекулярно- массового состава и глубины процессов дубления.
3. Впервые изучена реакционная способность отдельных фракций желатин по отношению к дубителям различных классов, установлен механизм процесса дубления в зависимости от молекулярно-массового состава желатин, показан многоступенчатый характер процесса дубления с рядом последовательно протекающих реакций.
4. На основании результатов исследований методами Н ЯМР высокого разрешения, квазиупругого рассеяния лазерного света, капиллярной вискозиметрии установлено влияние молекулярно-массового состава и природы дубителя на характер конформационных превращений в процессе дубления.
5. Показано, что свойства межфазных адсорбционных слоев (MAC) желатины определяются ее ММС и существенно изменяются в процессе дубления. Вывод обоснован результатами измерения реологических параметров MAC (модуль эластичности, вязкость, предельное напряжение сдвига, предел текучести), формирующихся на границе раздела водный раствор желатины/м-ксилол в зависимости от молекулярно-массового состава желатин и глубины процесса дубления.
6. Установлено изменение свойств и состояния монослоев желатины на границе вода/воздух, коррелирующее с глубиной модификации полипептидных цепей в процессе дубления. Показано уменьшение поверхностной активности желатин в результате сшивки полипептидных цепей при взаимодействии с дубителями.
7. Показана возможность регулирования гидрофильно-липофильного баланса поверхности гелей желатины путем подбора молекулярно-массового состава желатин и проведения контролируемого процесса дубления.
8. Предложен способ регулирования свойств желатин-содержащих материалов путем подбора желатин с определенным молекулярно-массовым составом и составления композиций на их основе. Такие композиции позволяют целенаправленно выбирать дубители определенной природы и установленным механизмом дубления, что является определяющим фактором оптимизации свойств фотоматериалов.
9. Основные закономерности, установленные в работе, использованы для оптимизации эксплуатационных характеристик фотографических эмульсионных слоев.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.
1) на основании результатов проведенных исследований, показана возможность целенаправленной оптимизации свойств фотоматериалов путем регулирования молекулярно-массового состава фотографических желатин с учетом технологических требований.
2) изучен широкий круг дубителей, используемых при производстве кинофотоматериалов; показано, что механизм дубления зависит от ММС желатин и природы дубителя. Полученные результаты легли в основу оптимизации процессов дубления в промышленных условиях, что подтверждено испытаниями в реальных технологических условиях в Госфильмофонде России;
3) предложенный метод гель-электрофореза в полиакриламидном геле, внедрен в Госфильмофонде России для использования в работах, по повышению качества сохранности уникальных фильмовых материалов;
4) впервые изучен молекулярно-массовый состав ихтиожелатин, полученных из чешуи и плавательных пузырей рыб. Сделан вывод, позволяющий рекомендовать желатину, извлекаемую из чешуи рыб, как возможный дополнительный источник для производства эмульсионных желатиновых слоев;
5) результаты и выводы, полученные в данных исследованиях, включены в учебный курс «Химия», «Концепции современного естествознания», «Химия и физика высокомолекулярных соединений», «Поверхностные явления и дисперсные системы», «Полимерные материалы основы КФМ и магнитных носителей и их переработка» для студентов специальности «Технология кинофотоматериалов и магнитных носителей».
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Результаты работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной конференции по физико-химической механике кинофотоматериалов, посвященной памяти Е.А. Зимкина, (Казань, 1990г); конференции молодых ученых Химического факультета МГУ, (Москва, 1991г.); Всесоюзной конференции, посвященной 50-летию казанского завода «Полимерфото» (Казань. 1991г.); научно-технической конференции института киноинженеров и киноорганизаций (С.-Петербург, 1992г.); Zimkin memorial conference on photographic gelatin (Казань, 1995), International Conference on Colloid Chemistry and Physical-Chemical Mechanics (dedicated to the century of the birthday of P.A. Rehbinder) (Москва, 1998г.); X Международной конференции «Поверхностно-активные вещества и препараты на их основе» (Шебекино, 2000г.); научном семинаре проблемы реологии полимерных и биомедицинских систем (Саратов, 2001 г); III научной конференции «Коллоидная химия и физико-химическая механика природных дисперсных систем» (Одесса, 2001 год); на Международном симпозиуме «Фотография в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2002г); XXI SYMPOZIUM ON RHEOLOGY (Осташков, 2002г.); V Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права» (Сочи, 2002г.), научном семинаре «Актуальные проблемы реологии» (Барнаул, 2003г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 39 научных работ, из них 1 монография, 24 статьи, 10 тезисов докладов в сборниках материалов конференций, 4 учебных пособия.
ЛИЧНОЕ УЧАСТИЕ автора являлось основополагающим на всех стадиях работы и состояло в формировании научного направления постановке задач и целей исследования, разработке экспериментальных и теоретических подходов при выполнении эксперимента и формировании выводов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографии и приложений. Содержание работы изложено на 299 страницах, содержит 49 рисунков, 34 таблицы и рисунка в приложении. Библиография включает 326 наименований литературных источников. Каждая глава сопровождается самостоятельным литературным обзором.
Первая глава посвящена молекулярно-массовому составу (ММС) желатин. Дан обзор свойств, полиморфизма и структуры коллагенов, являющихся молекулярными предшественниками желатины, получаемой в промышленности из сырья богатого коллагеном. Рассмотрены состав и строение фотографических желатин. Проанализированы зависимости химических, физико-химических свойств и фотографической активности желатин от аминокислотного состава полипептидных цепей и ММС. Молекулярно-массовый состав коллекции фотографических желатин определен методами гель-электрофореза в полиакриламидном геле (ПААГЭ) и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).
Во второй главе описаны основные пути модификации свойств желатины, необходимые для оптимизации конечного продукта на основе желатины. Наиболее распространенный способ - это использование желатины в композиции с ПАВ. В последнее десятилетие описание систем, содержащих ПАВ и полимер, получило широкое распространение. Такие системы богаты фазовыми равновесиями. Полимеры инициируют агрегирование ПАВ, зависящее от природы полимера и поверхностно-активного вещества, а взаимодействие ПАВ с полимером может быть достаточно сильным, при этом образуются смешанные мицеллы. Все это приводит к регулированию вязкости системы и фазовых превращений в них. Для практического использования желатины особое значение имеет химическая модификация полипептидных цепей желатины. В фотографических процессах это достигается в процессах дубления.
Приведена систематизация дубителей по их химической природе, описаны перспективные направления в области синтеза химических модификаторов. Приведены результаты комплексного исследования взаимодействия желатины с дубителями различных классов, полученные методами ПААГЭ, ВЭЖХ, капиллярной вискозиметрии, квазиупругого рассеяния лазерного света (КУР Л С), ЯМР- высокого разрешения.
В третьей главе рассмотрено влияние дубления на поведение фотографических желатин на границах раздела фаз. Представлен обзор данных по адсорбционным слоям желатин, в том числе и модифицированных. Методом монослоев Ленгмюра на границе вода/воздух установлено изменение свойств поверхностных слоев модифицированных желатин и показано влияние глубины процесса дубления на эффективную поверхностную активность желатины. Реологические свойства химически модифицированных желатин на границе водный раствор-углеводород исследованы с помощью поверхностного эластовискозиметра Ребиндера - Трапезникова. Приведены и обсуждены результаты исследования свойств поверхности гелей желатины методом смачивания в зависимости от природы дубителя и ММС желатины.
В четвертой главе представлены результаты испытаний в реальных технологических условиях зависимости физико-механических свойств желатин-содержащих многокомпонентных систем от природы желатины и класса химического модификатора - дубителя. Даны практические рекомендации о возможности подбора желатины с определенным ММС и эффективного для нее химического модификатора - дубителя, которые обеспечат высокое качество эксплуатационных свойств фотографических материалов.
Автор искренне признателен профессору Измайловой В.Н. за плодотворное участие в планировании и обсуждении данного исследования, Ямпольской Г.П. за оказанную помощь и консультации, а также коллегам, принимавшим участие на различных стадиях выполнения работы Туловской З.Д., Левачеву СМ., Харлову А.Е.
Влияние рН и ионной силы на свойства растворов коллагена
Изоэлектрическая точка pi большинства растворимых коллагенов находится в пределах рН 5-6. [33]. При изменении рН в более кислую или более щелочную область молекулы тропоколлагена приобретают соответствующий заряд. Однако коллаген может существовать в виде трехсприральной молекулы лишь в диапазоне 2.4 рН 12.6 [34]. При выходе за эти пределы происходит обратимое расплетание спиралей и желатинизация пространственной структуры. Подкисление раствора уменьшает термостабильность коллагена [35]. Максимально достижимые заряды в пересчете на отдельную молекулу при крайних допустимых рН составляют соответственно +10 и - 3.5 [28]. О числе зарядов на молекуле коллагена можно судить по кривым потенциометрического титрования белка в воде и растворе КС1, которые обнаруживают ряд характерных участков. В интервале рН 1-5 кривые имеют крутой спуск, который определяется карбоксильным группами.
В диапазоне рН 5-9 протонируются концевые аминогруппы (у-аминогруппы) и основные группы гистидина. В интервале рН 9 - 11.5 кривые соответствуют обратному титрованию аминогрупп остатков лизина. При рН 11.5 титруются основные группы аргинина [28]. Если в растворе присутствуют нейтральные соли, то их анионы и катионы адсорбируются на молекулах белка в неодинаковых количествах. В результате этого соотношение зарядов в структуре макромолекулы изменяется и изоэлектрическое состояние достигается при другом значении рН (сдвиг на 0.1-0.2). Повышение ионной силы в общем случае уменьшает растворимость коллагена, но повышает его термостабильность. [36, 37]. На этом основан способ осаждения коллагена из его растворов добавлением соли. Так, добавление возрастающих концентраций NaCl вызывает постепенное осаждение коллагена и в 0.3М NaCl коллаген уже практически нерастворим [38]. Разные типы коллагена высаливаются из раствора при разном содержании NaCl и на этом основан способ фракционирования коллагена [39]. Осаждение коллагена и количество фракций зависят от рН и температуры. При рН 4.6-4.8 условия оптимальны для фракционирования компонентов коллагена. При этом осаждении коллагена минимально. Растворимость коллагена довольно сложным образом зависит от ионного состава и концентрации растворов [40].
Адсорбция коллагена из растворов Наиболее подробно исследована адсорбция коллагена на твердых поверхностях [41-46]. В работе [42] найдено, что оптимальная адсорбция коллагена на стекле наблюдается при рН 3.5 (р! коллагена 4.5), изотерму адсорбции можно описать уравнением Ленгмюра. Адсорбция зависит от ионной силы раствора: чем выше концентрация NaCl (0-0.5М), тем больше адсорбция коллагена на стекле. Данные других работ утверждают, что адсорбция практически не зависит от ионной силы раствора [43,45]. В работе [43] помимо обычного стекла использовали также силиконизированное стекло и тефлон. Установлено, что адсорбция коллагена является необратимой и мало зависит от рН и ионной силы раствора, но существенно возрастает с увеличением гидрофобности твердой поверхности. Адсорбция коллагена на границе раздела фаз вода-воздух изучалась в немногих работах [47-48], а на границе жидкость - жидкость мало изучена. 0.1% раствор коллагена в 0.3М СН3СООН довольно медленно и незначительно уменьшает поверхностное натяжение со временем, что связано с медленным выходом коллагена на поверхность раствора из-за малой величины D2o, w. Наиболее ярко выражены поверхностные свойства алкилированнных гидрофобных производных коллагена, полученные взаимодействием нативного коллагена с гексиловым или лауриловым альдегидами [50-51]. Самая высокая поверхностная активность отмечена у гексилпроизводного коллагена. Самая ранняя попытка использовать желатину в фотографии была предпринята Ньепсом в 1847 г. и позднее другими исследователями. Но по праву Маддокс считается пионером в применении желатины в фотографии (1871 г.), так как полученные им высокочувствительные бромсеребряные желатиновые эмульсии открыли, по существу, новую эпоху в развитии фотографического процесса. Необычайно длительный срок использования желатины в фотографических эмульсиях объясняется редким сочетанием целого комплекса ее природных свойств, трудно поддающихся полному воспроизведению при получении синтетических заменителей желатины. Одним из наиболее значимых свойств желатины являются коллоидно-химические, благодаря которым она выполняет роль защитного коллоида в процессах синтеза и эксплуатации фотоэмульсии [52, 53]. Химические свойства желатины определяются большим разнообразием функциональных групп в макромолекулах, многие из которых имеют высокую реакционную способность. Возможность их взаимодействия с галогенидами серебра, а также присутствие различных примесей выполняющих роль химических сенсибилизаторов определяет фотографическую активность желатины [54-56]. Многообразие функциональных групп позволяет осуществлять химическую модификацию желатины, необходимую для улучшения физико-механических свойств эмульсионных слоев [57]. Важным свойством желатины является также галогенакцепторная способность, которая в определенной мере предотвращает регрессию скрытого изображения [58]. Физические свойства желатины обеспечивают необходимые эксплуатационные характеристики эмульсионных слоев, которые определяют свойства всей многослойной системы кинофотоматериалов в целом. [59 - 60].
Анализ фракционного состава фотографических желатин
Нефракционированная желатина содержит смесь а-, рЧ у- цепей и их фрагментов, а- Цепи представляют собой неразрушенные полипептидные цепи коллагена, (3-, у- соответственно - необратимо сшитые двойные и тройные образования а- цепей. Таким образом, желатина представляет собой сложный набор разнообразных полипептидных цепей, которые нельзя рассматривать полимергомологами. В связи с этим предложено для характеристики желатин использовать их молекулярно-массовый состав (ММС). ММС желатины обусловливает не только ее физико-химические и коллоидно-химические свойства, но также и ее реакционную способность. Это обусловлено различной реакционной способностью а-, Р- и у-фракции желатины, соотношение которых и формирует ее реакционную способность. Исследован ММС 25-ти образцов фотографических желатин, различающихся по сырью и технологии производства, а также подвергнутых специальной обработке с целью получения желатин со специфическими фотографическими свойствами, (табл.5). На рис. 7 в качестве примера приведена гель-электрофореграмма коллагена [75]. На рис. 8 - гель-электрофореграмма исследованной желатины (образец 20), которая, в целом, совпадает с электрофореграммой коллагена. В условиях эксперимента удается разрешить две полосы, относящиеся к cti и а2 - цепям коллагена. Это полосы специфичны для коллагена 1. Выше а- фракций располагаются более высокомолекулярные цепи, а ниже- фрагменты а- цепей. По формуле (1) были оценены молекулярные массы фракций.
При исследовании желатин методом ПААГЭ было замечено, что относительное положение фракций для всех желатин оставалось постоянным. Исчезновение полос или появление дополнительных, интерпретировалось нами как изменение состава желатины, которое коррелировало либо с особенностями технологии получения, либо с изменением сырья. На основании анализа различных желатин методом ПААГЭ были сделаны следующие выводы: 1) желатины являются полимодальным полимерным материалом, 2) относительный состав желатин зависит от сырья и технологии получения, причем технология получения влияет на ее состав сильнее. Основные фракции желатины - это: 1) микрогель ( молекулярная масса более 300 000) 2) у- фракции ( молекулярная масса 300 000) 3) (3- фракции ( молекулярная масса 200 000) 4) а- фракции ( молекулярная масса 100 000) 5) пептиды (молекулярная масса менее 100 000) Другим информативным методом, пригодным для анализа желатин и получения количественных характеристик, является метод ВЭЖХ На рис. 9-11 показаны хроматограммы некоторых образцов желатин, различающихся по сырью и технологии производства. Совокупность Все исследованные желатины, кроме кислотных образцов 1 и 4, содержат фракции с молекулярной массой более у, выходящие со свободным объемом колонки 2. Однако их содержание невелико и составляет 2 - 8 %. Наибольшее содержание этих компонентов характерно для кожевенных желатин.
Прежде всего обращает на себя внимание факт существенного различия в составах кислотных и щелочных желатин. Щелочные костные желатины содержат до 60% -а- цепей и 30% р-, у- и высокомолекулярных компонентов. Содержание фрагментов а- цепей не превышает 10%. Можно выделить группы желатин с особенно высоким содержанием а- цепей (50-60%) и небольшой долей фрагментов а- цепей, менее 8%: образцы 3,6, 14, 16. Близким к предыдущей группе составом обладают образцы для синтеза цветных негативных эмульсий (образцы 9, 15), однако в них присутствует около 2% низкомолекулярных примесей, которые практически отсутствуют в остальных исследованных образцах. Таким образом, обогащение желатин типа кожевенных или костных щелочных а- фракциями, а также введение в них фрагментов а- цепей, по - видимому, должно придавать желатинам свойства, необходимые для создания высокочувствительных фотоматериалов или цветных негативных материалов. Анализ составов современных зарубежных фотографических желатин свидетельствует о том, что, вероятно, оптимальное молекулярно- массовое распределение в них достигается за счет смешения образцов с различным составом. Желатины, полученные при кислотной обработке, характеризуются самым высоким содержанием фрагментов а- цепей..Это объясняется тем, что кислотная обработка приводит к более глубокому гидролизу пептидных связей. Высокое содержание в таких желатинах фрагментов ос-цепей вызывает смещение конфигурационно- конформационного равновесия типа спираль -+ клубок в сторону клубка. Это находит свое отражение в том, что характеристическая вязкость разбавленных водных растворов таких желатин в интервале температур 25-50 С практически не изменяется. В то же время щелочные желатины содержат до 60% а- цепей и около 30% Р- и у- компонентов. Содержание фрагментов а- цепей не превышает 10%. Следует отметить, что наибольшее содержание а- цепей (55-60%) отмечено для зарубежных образцов. Причем содержание фрагментов а-цепей не превышает 8%. Именно поэтому такие желатины характеризуются обратимым переходом спираль- клубок в интервале температур 25-50С, что и предопределяет температурную зависимость характеристической вязкости разбавленных водных растворов этих желатин, выражающейся в сильном увеличении вязкости при понижении температуры. [76]
Процесс химической модификации желатины в объеме водной фазы
Макромолекулы желатины в воде (в том числе и в присутствии добавок) в свете представлений о лиофильных дисперсных системах можно отнести к лиофильным коллоидным системам [225 - 227]. В таких лиофильных системах дисперсная фаза (макромолекулы желатины) может быть целиком пронизана дисперсионной средой, т.е. водой. Лиофильные системы устойчивы, т.е. стабильны во времени, лиофобные системы неустойчивы и постепенно разрушаются, выделяя дисперсную фазу под действием молекулярных сил сцепления. Критерием отнесения коллоидных систем к лиофильным является малое значение межфазного натяжения стт (мДж/м ). Согласно Ребиндеру и Щукину [228]. Обычно величина ат для лиофильных коллоидных систем составляет 0.14-0.01 мДж/м , что совпадает с измеренными значениями для белков и ВМС. Изобарно-изотермический потенциал для водных растворов белков уменьшается в результате увеличения энтропии системы в связи с включением белковых макромолекул в броуновское движение несмотря на то, что избыток удельной свободной энергии (межфазное натяжение на границе раздела белок/вода) хотя и малая, но всегда положительная величина [227]. Рассмотрим подробнее свойства желатины в водных системах. Желатина, получаемая из коллагена путем деструкции макромолекул и превращения тройной коллагеноподобной спирали в полипептиды, имеет уникальное свойство вновь воспроизводить коллагеноподобную спираль. Конформационные переходы макромолекул можно проследить по изменению оптического вращения [225]. Процесс образования макромолекул с упорядоченными структурированными участками в растворах желатины происходит во времени, что позволяет изучать кинетику этого перехода. Скорость образования коллагеноподобных участков в водных растворах желатины существенно зависит от концентрации белка, однако предельные величины удельного вращения при определенной температуре не зависят от исходной концентрации белка в растворе для малоконцентрированных систем. При температурах, превышающих 35С, макромолекулы желатины в водном растворе находятся в состоянии беспорядочного клубка. По данным метода светорассеяния [228], при 40С среднеквадратичный радиус инерции макромолекул желатины в растворе составляет 36 нм При изучении пространственной структуры желатины в разбавленном растворе методами светового, малоуглового, нейтронного и рентгеновского рассеяния [229] в присутствии 0.1 моль хлорида натрия на грамм желатины при 50С также показано, что радиус вращения макромолекулярной цепи равен 35 нм. Исследованиями динамического рассеяния растворов желатины [230] было показано, что радиус макромолекул желатины составлял 20 нм (при 35С). При понижении температуры полипептидные цепи способны частично восстанавливать коллагеноподобную спиралевидную структуру. Процесс перехода коллагеноподобная спираль «- клубок детально изучен в [225, 227, 231, 232] самыми различными методами.
При этом все исследователи сходятся во мнении, что переход коллагеноподобная спираль - клубок в макромолекулах желатины - типичный кооперативный процесс, в элементарном акте которого участвует некоторое число звеньев цепи. В табл. 7 суммированы опубликованные ранее [231] данные относительно термодинамических параметров перехода коллагеноподобная спираль клубок в водных растворах желатины. В силу доминирующей роли воды в стабилизации структуры коллагеноподобной спирали некоторое расхождение полученных термодинамических параметров перехода спираль - клубок в водных растворах желатины и растворах тяжелой воды можно объяснить изотопным эффектом последней. Изучение кинетических аспектов конформационных переходов макромолекул желатины по типу клубок - коллагеноподобная спираль различными методами в водных растворах позволило определить величины порядков реакции (п) и кажущиеся энергии активации (Еа). В табл. 8 представлена совокупность известных данных по кинетике образования коллагеноподобной спирали в растворах желатины. [242] Кинетические и термодинамические параметры конформационных и фазовых переходов коллаген - желатина коллаген могут быть использованы при разработке технологических схем промышленной переработки коллагенсодержащих материалов. На термодинамические икинетические параметры конформационного перехода коллаген - желатина можно влиять путем добавления третьего компонента - поверхностно-активного вещества (ПАВ), электролитов и др.
В ряде работ [225, 233] методами оптического вращения и кругового дихроизма показано изменение конформационного перехода. В результате взаимодействия с ионными ПАВ коллагеноподобная спираль желатины становится менее упорядоченной, причем степень разупорядоченности зависит от концентрации ПАВ. Предполагается, что конформационные изменения макромолекул желатины являются следствием конечного изменения в балансе электростатических и гидрофобных взаимодействий [234 - 236]. Методом измерения интенсивности рассеяния света определено, что при 313 К в разбавленных растворах желатины среднеквадратичное расстояние между концами полимерной цепи равно 65,0 нм [225]. Результаты, представленные в [267], показывают, что в разбавленных растворах желатины (концентрация 0.1-0.5%) при 295 К при введении поверхностно-активных веществ эффективный радиус частиц равен 100 - 75 нм. Частицы с максимальными размерами представляют собой агрегаты первичных частиц, образующиеся вследствие модификации макромолекул желатины при взаимодействии с низкомолекулярными ПАВ. Конформацию макромолекулы желатины можно зафиксировать в том или ином состоянии, используя фиксирующие агенты (дубители), например хромовые квасцы, поскольку спираль и клубок в своей структуре имеют реакционные группы, расположенные настолько близко друг к другу, что при реакции с хромовыми квасцами происходит внутримолекулярное сшивание макромолекул.
Реологические свойства химически модифицированных желатин на границе двух несмешивающихся фаз
Показана возможность регулирования реологических свойств межфазных адсорбционных слоев, образованных при адсорбции из растворов желатины на жидких границах раздела фаз, путем химической модификации макромолекул желатины дубителями. Такие исследования важны для формирования светочувствительных цветных материалов, в этом случае водные слои желатины контактируют с неорганическими жидкостями. Таким образом, проведенные исследования моделируют поведение желатин в таких системах.
Было изучено: 1) влияние ММС желатин и 2) модификации желатин в процессе дубления с использованием ЛИКИ-1 на реологические параметры межфазных адсорбционных слоев (МАС), формирующихся на межфазной границе 0.1% водный раствор желатины - метаксилол. В работе использованы два образца желатин, различающихся по ММС (образцы 15 и 25, табл. 6). В качестве органической фазы при формировании MAC использовали метаксилол.
Для проведения экспериментов готовили 0.1% - ный водный раствор желатины по стандартной методике (набухание желатины в течение 0.5 ч, растворение при 40С). Соотношение дубитель - желатина в растворах при модифицировании составляло от 1-Ю"2 до 1-Ю"4 моль дубителя на 100 г воздушно - сухой желатины (в.с.ж.). Дубление проводили при температуре 60С в течении 1 - 3 ч., а реологические испытания - при комнатной температуре. рН модифицированного раствора желатины 5.69. В качестве примера на рис. 47 (для образца 25) представлены кривые развития напряжения сдвига при различных скоростях деформации (от 0.17 до 9.26 с"1) для МАС в системе водный раствор желатины -метаксилол. Ярко выраженные максимумы соответствуют предельному разрывному напряжению Prs. После прохождения максимума напряжение сдвига падает до стационарного напряжения вязкого течения разрушенного слоя, a Prs. увеличивается с ростом скорости деформации.
Химическая модификация желатины дубителем ЛИКИ - 1 приводит к уменьшению разрывного напряжения сдвига MAC пропорционально концентрации дубителя, введенного в реакционную смесь, что регистрируется при всех использованных скоростях деформации (рис. 47 б, в, г). Это свидетельствует о том, что глубина дубления желатины приводит к потере способности образовывать прочные MAC.
На основании полученных данных были построены зависимости скорости деформации от напряжения сдвига, т.е. кривые установившегося течения или полные реологические кривые (рис. 48 а и б). Кривые течения межфазных адсорбционных слоев желатины (рис. 48 а) после взаимодействия с дубителем имеют вид, характерный для твердообразных структур с пределами текучести Ркі и РК2- На участке между Ркі и РК2 в структуре слоя наблюдается разрушение отдельных связей между макромолекулами, но число восстанавливающихся и разрушенных связей равно. Это область первой пластической вязкости - Шведовской. В области напряжений сдвига, меньших предела текучести Рк1 (до 0.05 мН/м) структура межфазных адсорбционных слоев характеризуется модулем упругости и бесконечной вязкостью, (рис.48 б)
При напряжениях сдвига, больших второго предела текучести Рк2, наблюдается область второй пластической вязкости - Бингамовской (rj ). В табл. 24 представлены реологические параметры MAC желатины, модифицированной дубителем ЛИКИ - 1. Из рис. 48 и табл. 24 видно, что после взаимодействия с дубителем MAC желатины характеризуется снижением модуля эластической деформации, а также Шведовской и Бингамовской вязкости. Рю и РК2 - первый и второй пределы текучести, г) о - Шведовская вязкость, г - Бингамовская вязкость, Е - модуль упругости Химическая модификация желатины (образец 15) дубителем ЛИКИ -1 приводит к уменьшению разрывного напряжения сдвига MAC, причем это понижение еще больше, чем измеренное в аналогичных условиях для образца 25. Этот эффект был зарегистрирован при всех скоростях деформации (рис. 49, таблица 25). В то же время характер кривых течения MAC отвечающий твердообразным структурам с пределами текучести Ркі и РК2. сохраняется.
Похожие диссертации на Решающая роль природы желатины при химической модификации желатин-содержащих систем
