Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Рсдкосшитые полиэлектролиты, способные к образованию гидрогелей (ГГ) с высокими степенями набухания, привлекают все большее внимание исследователей в связи с ростом областей использования материалов, получаемых на их основе. Благодаря комплексу варьируемых уникальных свойств супервлагоабсорбенты (СВА) нашли на мировом рынке самое широкое применение в медицине и промышленности.
Повышенный интерес к СВА обусловлен широкими перспективами их применения в земледелии засушливой зоны, решении водных и экологических проблем, в качестве ускорителя роста растений.
К СВА, используемым в засушливых областях предъявляются дополнительные требования: наряду с большим влагопоглощением необходимы высокая скорость набухания и устойчивость гидрогелей при высоких температурах почв (до 50 С), а также малая чувствительность к изменению ионного состава и рН почвенного раствора. Это делает актуальным получение и исследование свойств новых абсорбентов, имеющих устойчивость при высоких температурах почв, а также высокую скорость набухания в солевых растворах.
Расширению возможностей применения СВА препятствует недостаточная изученность их сеточной структуры и взаимосвязи между структурой и физико-химическими свойствами набухших гидрогелей. Эффективность использования СВА может быть повышена в результате разработки методов синтеза продуктов с улучшенными характеристиками.
В связи с вышесказанным исследования в области получения СВА, изучения их структуры и физико-химических свойств приобретают важное научное и практическое значение.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью настоящей работы является создание новых СВА, обладающих достаточной активностью при повышенных температурах, а также в условиях присутствия в воде солей.
МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ. При проведении исследований влияния условий синтеза на свойства полученных абсорбентов, а также исследования реологических характеристик полиакриловых СВА, использован комплекс
методик физико-химического анализа: дифференциально-термический анализ; ИК-, 31Р, 13 С, >Н ЯМР спектроскопии; гравиметрический анализ степени конверсии, степени набухания, золь-фракции, водоудержания; вискозимет-рический анализ; методики определения физических свойств СВА. Предложена методика определения водоудержания смеси земли с различными количествами внесенного в нее СВА и определения температуры фазового перехода в гидрогелях при различных степенях набухания.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в том, что впервые синтезирован новый класс СВА на основе акриловой и 3-хлор— 1,3-бутадиен-2-фосфиновой кислот, обладающий активностью при повышенных температурах и в присутствии ионов солей. Установлена фундаментальная зависимость степени набухания от концентрации гидрофосфорильных групп в составе сополимера. Исследованы основные физические и химические свойства новых СВА. Впервые экспериментально исследовано влияние условий синтеза, рН среды и ионной силы раствора на степень набухания новых фосфорсодержащих СВА. Установлено, что полученные в работе СВА обладают также на порядок более высокой скоростью набухания по сравнению с известными акриловыми СВА.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит в том, что разработан новый метод получения СВА с различными характеристиками в набухшем состоянии, который обладает рядом преимуществ: высокой скоростью набухания в водных растворах, устойчивостью при повышенных температурах окружающей среды, а также малой чувствительностью к рН и ионной силе окружающего раствора.
Показана эффективность применения нового вида СВА в качестве влаго-удерживающего агента, пригодного для применения в сельском хозяйстве засушливых районов.
Данные о влиянии внешних условий на физико-химические свойства СВА с различным составом и характеристиками позволяют сделать оценки относительно их поведения при эксплуатации в реальных условиях. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Результаты работы докладывались на XXIX Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава
(СПбГИТМО,1997) и на Молодежном симпозиуме по химии фосфорорга-нических соединений "Петербургские встречи'97", С-Петербург, 1997.
Основные положения, выносимые на защиту:
технологическая схема синтеза и лабораторного производства нового фосфорсодержащего акрилового СВА;
повышение температуры фазового перехода плавление-замерзание иммобилизованной воды при уменьшении степени набухания СВА;
результаты исследований параметров сетки синтезированных СВА;
увеличение скорости набухания сополимеров в 2 раза, а также степени набухания СВА в солевых и кислотных растворах при увеличении содержания гадрофосфорильных групп в составе сополимера ;
экспериментальные результаты исследования степени набухания новых СВА в зависимости от условий синтеза, рН среды и ионной силы раствора, а также степени набухания сополимеров в различных солевых растворах. Повышение активности СВА при повышенных температурах и повышенных концентрациях солей.
Работа включает в себя введение, пять глав, заключение и список цитируемой литературы. Диссертация содержит 169 страниц, 20 рисунков, 17 таблиц. Список литературы насчитывает236 наименований.
Во введении сформулированы обоснования актуальности получения, исследования физико-химических свойств и разработки технологической схемы процесса синтеза нового СВА с улучшенными свойствами: повышенной скоростью набухания, пониженной чувствительностью к окружающей среде и устойчивостью гидрогелей при повышенных температурах.
В первой главе представлены обзор и анализ литературных данных, касающихся методов получения и физико-химических свойств СВА, закономерностей формирования сетчатой структуры гидрогелей в ходе радикальной полимеризации полиакриловых мономеров в водных растворах и закономерностей поведения полиэлектролитных гидрогелей в различных условиях.
Приведены данные об областях и эффективности использования СВА в различных отраслях хозяйства.
Во второй главе рассмотрена теория набухания полимерных сеток. Показано, что исследование структуры полимерных сеток должно позволять прогнозировать свойства синтезируемых сополимеров.
В третьей главе представлен один из вариантов технологической схемы лабораторного получения данного СВА в промышленных масштабах. Подробно рассмотрены стадии получения нового полиакрилового абсорбента. Показано влияние качества исходных веществ, используемых для получения данного суперабсорбенга, на свойства конечного продукта. Подобраны и разработаны методы анализа полупродуктов и исходного сырья, а также показано влияние условий синтеза на конечные свойства получаемого СВА.
Четвертая глава посвящена разработанным физико-химическим методам исследования свойств новых абсорбентов на основе акриловой и З-хлор-1,3-бутадиен-2-фосфиновой (БФК) кислот.
В пятой главе представлены и обсуждены полученные в данной работе экспериментальные результаты по получению и исследованию физико-химических свойств новых СВА. Показано влияние различных физических факторов на свойства набухших абсорбентов, а также перспективность использования данного СВА в земледелии.
В заключении обобщены основные результаты проведенных исследований.