Семчиков Ю.Д. Высокомолекулярные соединения - файл n1.docx. Радикальная сополимеризация акрилат- и метакрилатгуанидинов с виниловыми мономерами Обычно определение эффективности флоккулянтов по отношению к определенному виду загрязняющих воду веществ заклю

На правах рукописи

Сапаев Хусейн Хамзатович

Радикальная сополимеризация

акрилат- и метакрилатгуанидинов с виниловыми мономерами

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук.

Нальчик-2009

Работа выполнена на кафедре высокомолекулярных соединений ГОУ ВПО “Кабардино-Балкарский государственный университет

им. Х.М. Бербекова”

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Малкандуев Юсуф Ахматович.

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Русанов Александр Львович

доктор химических наук, профессор

Берикетов Ануар Султанович.

Ведущая организация: Институт нефтехимического

синтеза им. А. В. Топчиева РАН

Защита диссертации состоится_______июня_2009г. в_____часов на заседании диссертационного совета Д 212.076.09 в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, КБР, г.Нальчик, Чернышевского, 173, корпус 11, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-информационном центре КБГУ им. Х.М. Бербекова.

Ученый секретарь

диссертационного совета Т.А. Борукаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы . Развитие науки и техники выдвигает на современном этапе проблемы получения новых полимерных материалов с заданным комплексом свойств. Именно поэтому в последние десятилетия в области химии высокомолекулярных соединений интенсивное развитие получило создание и исследование синтетических полиэлектролитов. Они находят широкое применение в самых разных областях промышленности, техники, сельского хозяйства, медицины и в дальнейшем их роль и значение, несомненно, будут возрастать.

Известно, что соединения, содержащие в своем составе гуанидиновую группу, обладают широким спектром бактерицидного действия и нередко используются в качестве лечебных препаратов, бактерицидов и фунгицидов. В связи с этим, особый интерес представляет синтез новых сополимеров различного состава на основе акрилатгуанидина (АГ) и метакрилатгуанидина (МАГ), поскольку введение гуанидиновой группы в полимерные продукты должно придавать им значительную биоцидную активность. Это особенно актуально для водных растворов флокулянтов, в частности, полиакриламида (ПАА), который в присутствии бактерий и плесени легко подвергается микробиологической деструкции.

При радикальной полимеризации и сополимеризации водорастворимых мономеров природа реакционной среды существенно влияет на кинетические параметры синтеза и характеристики образующихся продуктов. Это обусловлено изменением реакционной способности реагирующих частиц вследствие их ионизации, сольватации, комплексообразования и межмолекулярных взаимодействий в реакционной среде. Поэтому осложнённый характер сополимеризации ионогенных мономеров также определяет актуальность изучения особенностей образования гуанидинсодержащих сополимеров на основе виниловых мономеров.

Учитывая сказанное, мы полагаем, что синтез и исследование свойств новых гуанидинсодержащих сополимеров открывает новые возможности для синтеза полимеров с необходимым набором свойств.

Цель работы и основные задачи исследования. Цель работы заключалась в исследовании возможности получения новых высокомолекулярных сополимеров на основе АГ и МАГ с акриламидом (АА) и мономалеинатом гуанидина (ММГ) в водных растворах и, с учетом этих результатов, направленном синтезе новых полимеров катионной природы с биоцидными свойствами, изучении механизма и кинетики особенностей этих реакций. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1.Исследование возможности получения новых сополимеров на основе АГ и МАГ с АА и ММГ и синтеза на их основе новых катионных полиэлектролитов.

2. Установление основных кинетических закономерностей радикальной сополимеризации АГ и МАГ с АА и ММГ в водных растворах, определение констант сополимеризации и характеристической вязкости.

3. Изучение влияния строения и свойств полимеризующихся частиц на кинетику и механизм радикальной сополимеризации.

4.Исследование физико-химических, бактерицидных, токсикологических и флокулирующих свойств синтезированных мономерных и полимерных продуктов.

Научная новизна . Показана принципиальная возможность участия АГ и МАГ в реакциях радикальной сополимеризации с АА и ММГ; исследованы кинетические закономерности и рассчитаны константы сополимеризации данных процессов.

Изучены основные физико-химические свойства синтезированных полимерных продуктов спектроскопическими (ИК-, ЯМР1Н), термофизическими (ДСК, ТГА) методами, а также методом элементного анализа. Разработаны методики, позволяющие получать указанные сополимеры с заданными параметрами (составом, строением, молекулярной массой).

Впервые на основе АГ и МАГ методом радикальной сополимеризации получены новые гуанидинсодержащие водорастворимые сополимеры с АА и ММГ различного состава и строения.

Оценены биоцидные и токсикологические свойства полученных полимерных продуктов. Показано, что ряд гуанидинсодержащих сополимеров АА обладают невысокой токсичностью. Наибольшую биоцидность проявляют сополимеры с АА, содержащие 30-70 мол. % акрилатного компонента. Выявлено, что сополимеры МАГ с ММГ проявляют выраженные фунгицидные свойства.

Исследованы флокулирующие свойства новых гуанидинсодержащих сополимеров АА с АГ и МАГ и показана возможность их использования в процессах очистки воды.

Практическая ценность работы . В результате совместных исследований с Бактериологической лабораторией Государственного санитарно-эпидемиалогического надзора КБР и с фармацевтическим объединением «Эльфарми» (КБР, г. Нальчик) установлено, что синтезированные сополимеры обладают значительной биоцидной активностью по отношению к граммположительным и граммотрицательным микроорганизмам, а сополимеры с ММГ обладают выраженной фунгицидной активностью. Наряду с биоцидностью сополимеры обладают невысокой токсичностью, причем с увеличением звеньев акрилатного компонента в сополимере токсичность уменьшается. Выявлено, что сополимеры АА с МА и АГ обладают эффективными флокулирующими свойствами; найдены оптимальные условия их применения в процессах очистки воды. Наиболее выраженными флокуляционными свойствами обладает сополимер АА с МАГ состава 70:30. При этом присутствие гуанидиновых звеньев в макромолекулах сополимеров АА придает флокулянту устойчивость к биодеструкции под воздействием бактерий и плесени.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на III Всероссийской научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2007 г.), I Всероссийской научно-технической конференции «Наноструктуры в полимерах и нанокомпозиты» (Нальчик, 2007г.), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. (Грозный, 2008г.), Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая ситуация на Северном Кавказе: проблемы и пути их решения». (Грозный, 2008г.).

Публикация результатов По теме диссертации опубликовано 8 статей, в том числе 1 статья в журнале рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации . Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, включая 24 таблиц, 32 рисунков. Библиография включает 210 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Рассматривались основные кинетические закономерности и особенности реакции радикальной полимеризации мономеров акрилового ряда в водных растворах с изменением различных параметров (рН, температуры, изменением концентрации мономера) и в присутствии различных нейтрализующих агентов. Анализ представленных литературных данных позволяет заключить, что обнаруженные кинетические особенности, главным образом, являются следствием специфических взаимодействий заряженных макрорадикалов и присутствующих в реакционном растворе низкомолекулярных противоионов. Представлялся также, несомненно, важным оценить влияние природы реакционной среды на процесс полимеризации рассматриваемых мономеров, в частности провести сравнительный анализ кинетических данных при полимеризации акриловых кислот в органических растворителях и в водных растворах.

Глава II . Представлена экспериментальная часть. Рассматриваются объекты, методы исследования, методики проведения синтеза и кинетических исследований.

Исходные вещества. АГ и МАГ синтезированы из гуанидина и акриловой (метакриловой) кислоты. ММГ квалифицированный продукт марки «ч.д.а.» фирмы «Acros». Инициатор персульфат аммония (ПСА) (NH4)2S2O8, этанол абсолютировали по стандартной методике, диэтиловый эфир сушили над щелочью и дважды перегоняли над металлическим натрием. Ацетон – сушили над CaCl2, а затем кипятили и дважды перегоняли над Р2 О5.

Методы исследования . Кинетические особенности радикальной сополимеризации АГ и МАГ с АА исследовали дилатометрическим методом. Характеристическую вязкость растворов полимеров определяли в вискозиметре Убеллоде. В качестве растворителя для измерения характеристической вязкости использовали 1 Н растворы NaCl. В работе использовались физико-химические методы исследования – элементный анализ, ИК - и ПМР-спектроскопия, вискозиметрия, ДТА, ДСК.

Глава III. Обсуждение результатов

3.1.Радикальная сополимеризация акрилатгуанидина и метакрилатгуанидина с акриламидом

Водорастворимые сополимеры АА с солями акриловой и метакриловой кислоты в зависимости от молекулярных характеристик используются в качестве флокулянтов и стабилизаторов дисперсных систем, загустителей и структурирующих агентов. С учетом высокой биоцидной активности гуанидинсодержащих соединений, давно и успешно применяемых в медицине и в разных областях промышленности, представлялось необходимым изучить возможность синтеза новых сополимеров на основе гуанидинсодержащих мономеров акрилового ряда и АА. Поскольку естественно было бы ожидать, что вновь созданные сополимеры могут проявлять новые важные свойства и характеристики, не присущие исходным гомополимерам. Вместе с ожидаемой практической значимостью указанных полимеров изучение кинетических особенностей протекания реакции радикальной сополимеризации, несомненно, актуально и в научном аспекте, прежде всего с позиции оценки реакционной способности синтезированных мономеров в рассматриваемых условиях.

До проведения систематических кинетических исследований в рассматриваемых нами сополимеризационных системах были определены оптимальные условия осуществления данных реакций – водная среда; суммарная концентрация сополимеров [М] = 2 моль л-1; [ПСА]=510-3 моль л-1; 600С.

Состав сополимеров АА:АГ определяли по данным элементного анализа так как химические сдвиги протонов –СН2-СН= в ЯМР 1Н спектрах сомономеров близки и перекрываются. Данные приведены в табл.1.

Таблица 1

Данные элементного состава сополимеров АА:АГ

Исх. состав АГ:АА	С	N	H	R = N/C в сополимере
Исх. состав АГ:АА	Масс., %
80:20	38.85	29.33	6.90	0.755
50:50	41.99	26.62	6.96	0.634
40:60	41.85	26.74	6.80	0.639
20:80	44.15	24.77	7.30	0.561
10:90	47.37	22.31	7.00	0.471

Для расчета содержания сомономеров использовали соотношение содержания азота и углерода в сополимере R = N/C (%), исходя из соображения, что

NСП = NАГX + NАА(1 – X) (1)

CСП = CАГX + CАА(1 – X), (2)

где NАГ и CАГ – содержание в АГ, NАА и CАА – содержание в АА, X – доля АГ в сополимере и (1 – x) – доля АА в сополимере.

Отсюда имеем уравнение:

NАГX + NАА(1 – x)

CАГX + CАА(1 – x)

Решая это уравнение и подставив значения для содержания азота и углерода в соответствующих сомономерах, получаем выражения для расчета Х, т.е. доли АГ в сополимере. Расчет состава сополимеров АА с МАГ проводили по данным ЯМР 1Н спектроскопии, используя интегральную интенсивность сигнала метильной группы сомономера МАГ, который проявляется в самом сильном поле и не перекрывается никакими другими сигналами. Треть его интегральной интенсивности будет равна величине условного протона для звена МАГ - “1Н (М2)”. Протоны, относящиеся к сигналам CH2-групп цепи сополимера, проявляются для обоих сомономеров вместе в области химических сдвигов 1.5 – 1.8, поэтому для определения условного протона звена АА “1Н (М1)” из общей интегральной интенсивности этих протонов (I) вычитали вклад двух протонов звена МАГ и оставшуюся величину делили на 2 (уравнение 4):

“1Н (М1)” = (I - 2 “1Н (М2)”) : 2 (4)

Из полученных результатов определяли мольное содержание сомономеров в сополимере, выраженное в мол.% (уравнения 5 и 6):

МПАА = [“1Н (М1)” : (“1Н (М1)” + “1Н (М2)”)]100% (5)

МПМАГ = [“1Н (М2)” : (“1Н (М1)” + “1Н (М2)”)]100% (6)

Как видно по кривым на рис. 1, при всех исходных мольных соотношениях сомономеров, сополимер обогащен звеньями акрилатного сомономера, причем, системе МАГ–АА свойственно большее обогащение сомономером МАГ, в отличие от системы АГ–АА. Это свидетельствует о большей реакционной способности МАГ в реакции радикальной сополимеризации и соответствует данным о параметрах реакционной способности акриловой (АК) и метакриловой (МАК) кислоты, имеющимися в литературе. Большая в сравнении с АГ реакционноспособность мономера МАГ обусловлена, возможно, большей делокализацией заряда карбоксильной группы в молекуле мономера, на что указывает смещение сигналов винильных протонов МАГ в более сильное поле по сравнению с АГ в ЯМР1Н спектрах. Меньшая реакционная способность акриламида по сравнению с АГ и МАГ может быть обусловлена со специфическим строением ионогенных

Рис. 1. Зависимость состава образующихся сополимеров в системах:

АГ-АА (кривая 1) и МАГ-АА (кривая 2)

от состава исходного реакционного раствора

мономеров, в которой имеется электростатическое притяжение между положительно заряженным атомом аммонийного азота и карбонильным атомом кислорода остатка метакриловой кислоты, электронная плотность у которого повышена (схема 1).

где, R= H, СН3

Схема 1. Цвиттер–ионная делокализованная структура АГ и МАГ

Это притяжение обуславливает делокализацию отрицательного заряда по связям карбоксилат-аниона АК и МАК. Вследствие такой делокализации относительная стабильность соответствующих радикалов выше по сравнению с акриламидом. В случае МАГ наблюдается более высокая делокализация электронов по связи С-О- в метакрилатанионе по сравнению с АГ, что подтверждается большим обогащением сополимеров сомономером МАГ по сравнению с АГ.

Т.к. нами исследовалась сополимеризация на малых степенях конверсии, то для расчета констант сополимеризации использовали аналитический метод, значения констант, рассчитанные этим методом, представлены в табл. 2.

Таблица 2

АГ(МАГ) (М1) –АА (М2)

Приведенные в табл. 2 значения r1< 1 и r2 < 1 свидетельствует о предпочтительном взаимодействии макрорадикалов с «чужим», чем со «своим» мономером в обеих сополимеризационных системах. Значения произведения r1r2 < 1 говорит о выраженной тенденции к чередованию в обеих сополимеризационных системах. Кроме того, r1> r2, что подтверждает, что вероятность присоединения радикалов сомономеров к мономерной молекуле МАГ и АГ несколько выше, чем к молекуле АА. Близость относительных активностей к единице при сополимеризации МАГ-АА указывает на то, что скорости роста цепей в этой системе контролируется скоростью диффузии молекул мономеров в макромолекулярные клубки, причем скорости диффузии сомономеров мало отличаются между собой.

Таким образом, радикальная сополимеризация АА с АГ и МАГ позволяет получать сополимеры с высоким содержанием ионогенных групп.

Однако, несмотря на то, что полученные нами значения относительных активностей указывают на более низкую реакционную способность мономера АА по сравнению с МАГ и АГ, изучение сополимеризации указанных сомономеров в водных растворах показало, что по мере увеличения концентрации ионогенных сомономеров АГ и МАГ в исходной реакционной смеси значения характеристической вязкости снижаются.

Для понимания механизма сополимеризации АГ и МАГ с АА исследовали скорость данного процесса в водном растворе дилатометрическим методом. Для инициирования использовали ПСА.

Изучение кинетики в данных условиях показало, что реакция сополимеризации АГ и МАГ с АА протекает только в присутствии радикальных инициаторов и полностью подавляется при введении в реакционный раствор эффективного радикального ингибитора 2,2,6,6 - тетраметил-4-оксилпиридил-1-оксила. Спонтанная реакция – полимеризация в отсутствии радикального инициатора – также не наблюдается.

Реакционные растворы были гомогенны во всем интервале составов, а образующиеся сополимеры хорошо растворялись в воде.

Показано, что в изучаемой реакции зависимость степени конверсии от продолжительности реакции в выбранных условиях (водная среда; суммарная концентрация сополимеров [М] = 2 моль л-1; [ПСА]=510-3 моль л-1; 600С) характеризуется линейным участком кинетической кривой до конверсии 5-8 %.

Изучение кинетики сополимеризации показало, что с увеличением содержания ионогенного мономера в исходной мономерной смеси значения начальной скорости полимеризации 0 и характеристической вязкости симбатно уменьшаются при сополимеризации АА с АГ и МАГ (рис.2).

Рис.2. Зависимость начальной скорости сополимеризации (1,4) и характеристической вязкости (2,3) сополимера МАГ с АА (1,2) и АГ с АА (3,4) от содержания ионогенного мономера в исходной реакционной смеси

Причем для первой системы (при полимеризации с АГ) ход данной зависимости выражен более резко. Полученные результаты хорошо согласуются с известными литературными данными, полученными при изучении кинетики сополимеризации N,N-диаллил-N,N-диметиламмонийхлорида (ДАДМАХ) с АК и МАК в водных растворах. В этих системах установлено также, что скорость сополимеризации уменьшается с увеличением содержания ДАДМАХ в исходном реакционном растворе, причем для АК это увеличение выражено в большей степени, чем для МАК.

Из рис. 2 также следует, что наиболее высокомолекулярные образцы сополимеров (суждение по значениям ) получаются в мономерных смесях, с большим содержанием АА.

По-видимому, наиболее вероятная причина наблюдаемого уменьшения константы скорости роста цепей с увеличением концентрации ионогенного сомономера заключается в том, что концентрация сильно гидратированных акрилат- и метакрилат-анионов в относительно гидрофобных незаряженных клубках макрорадикалов оказывается ниже их средней концентрации в растворе, косвенным подтверждением чему является снижение приведенной вязкости раствора сополимера с увеличением содержания звеньев АГ и МАГ.

Уменьшение логичнее связать со структурирующим действием ионов АГ и МАГ на молекулы воды, которое приводит к уменьшению объемных эффектов, т.е. качество воды как растворителя для ПАА ухудшается.

Очевидно, что явления, наблюдаемые при радикальной сополимеризации с участием ионизующихся мономеров АГ и МАГ, не могут быть объяснены только на основании классических представлений и параметры r1 и r2 могут служить лишь в качестве условных величин, отражающих влияние тех или иных факторов на поведение данного мономера при сополимеризации.

Таким образом, по всей вероятности, наблюдаемые особенности и различия в ряду рассматриваемых мономеров объясняются сложным характером вкладов различных физико-химических процессов, определяющих протекание реакции сополимеризации АА с гуанидинсодержащими мономерами акрилового ряда. Вместе с тем, основной вклад в изменение эффективной реакционноспособности полимеризующихся частиц вносят, как мы полагаем, ассоциативные взаимодействия между гуанидиновыми и карбоксильными группами (как внутри- так и межмолекулярные) и структурная организация соответствующих мономеров и полимеров в процессе сополимеризации.

Для установления уравнения общей скорости сополимеризации АА с АГ и МАГ проводили опыты для переменных концентраций АА, АГ, МАГ и компонентов инициирующей системы при сохранении постоянства концентраций остальных компонентов реакционной системы и условий реакции.

3.2. Радикальная сополимеризация акрилатгуанидина и метакрилатгуанидина с мономалеинатом гуанидина

Радикальная гомополимеризация и сополимеризация гуанидинсодержащих соединений является объектом исследования многих авторов, главным образом в связи с возможностью получения полимерных материалов с комплексом специфических свойств, в том числе и биоцидных. Однако в литературе мало сведений относительно изучения процессов радикальной сополимеризации ионогенных мономеров, содержащих одинаковые функциональные группы.

В связи с этим, изучение процессов сополимеризации гуанидинсодержащих ионогенных мономеров представлялось нам весьма актуальным.

Известно, что малеинаты в силу симметричности строения, пространственных факторов и высокой положительной полярности винильной группы не образует гомополимеров в присутствии радикальных инициаторов. Экспериментальные результаты, полученные в данной работе также показали, что гомополимеризация ММГ в исследованных условиях затруднена. Так, например, степень превращения мономера ММГ в полимер в условиях ([ММГ] = 2 моль л-1; 600С; [ПСА] = 510-3 моль л-1; H2O; время полимеризации 72 часа) составляет около 3% ( = 0.03 дл г-1). Все эти факты говорят о существенном вкладе указанных выше факторов в процесс гомополимеризации исследованной нами системы.

Вместе с тем, существенно отметить, что при исследовании реакции радикальной сополимеризации ММГ с МАГ был получен ряд сополимеров различного состава с достаточно высокими значениями характеристических вязкостей.

Радикальную сополимеризацию исследовали в водных растворах, в качестве инициатора использовали ПСА ([I] = 10-2 – 10-3 моль л-1) в интервале температур (40 - 600С). Предварительно было установлено, что в отсутствии инициатора полимеризация не происходит.

Сополимеризацию проводили до различных степеней конверсии, и были выявлены следующие закономерности. Во всех случаях наблюдается образование сополимеров, обогащенных звеньями МАГ по сравнению с исходной смесью сомономеров (табл. 3), что указывает на большую реакционную способность МАГ в реакциях роста цепи. Сополимеризация происходит только при избытке метакрилата гуанидина. Если в избытке находится ММГ гуанидина, то ни сополимеризация, ни гомополимеризация МАГ не наблюдается.

Таблица 3

Зависимость состава сополимера от исходного состава реакционного раствора при сополимеризации АГ (МАГ) (М1) и ММГ (М2)

2.00 моль/л, [ПСА]= 5·10-3 моль·л-1, Н2О, 600С.

№ п/п	Исходные сомономеры	Сополимеры М1:М2,
	М1:М2, мол.%	АГ-ММГ мол.%	, дл/г	МАГ-ММГ мол.%	, дл/г
1	40:60	90:10	0.35	75:25	0.15
2	50:50	95:5	0.55	68:32	0.20
3	70:30	75:25	0.88	90:10	0.27
4	80:20	97:3	0.93	96:4	0.41
5	90:10	98:2	0.98	98:2	0.53

Примечание. определялась при 300С в 1н водном растворе NaCl.

Состав синтезированных полимерных продуктов подтвержден методами ЯМР1Н и ИК-спетроскопии.

Преобладающий вклад стерического фактора в реакционную способность ММГ в реакции сополимеризации с АГ и МАГ подтверждается значениями констант сополимеризации, которые представлены в табл.4.

Таблица 4

Значение эффективных констант сополимеризации в системах

АГ(МАГ) (М1) –ММГ (М2)

([М]сум = 2 моль л-1; [ПСА]=510-3 моль л-1; 600С; Н2О)

3.3.Физико-химические и биоцидные свойства синтезированных сополимеров

Исследование методом ЯМР 1 Н и ИК-спектроскопии синтезированных в представленной работе полимерных соединений подтвердили предполагавшуюся структуру объектов исследования. Изучение спектров ЯМР1Н синтезированных сополимеров позволило определить сомономерный состав анализом интегральных интенсивностей различных сигналов.

Исследование методами дифференциально-термического анализа (ДТА) и дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) синтезированных сополимеров выявило их высокую термическую стабильность, причем сополимеры оказались более устойчивы к воздействию высоких температур, чем исходные гомополимеры (исследования проводились до температуры 10000С). Так для ПАА потеря массы на 30% наблюдается уже при температуре 170 0С, для сополимера АА-МАГ (90:10) потеря массы на 30 % наблюдается при 300 0С, а для сополимера 30:70 при 280 0С.

Исследования бактерицидной активности показали ожидаемую априори значительную бактерицидную и фунгицидную активность для ряда составов сополимеров. Выявлено, что наибольшей биоцидной активностью по отношению к золотистому стафилококку обладает сополимеры АА-МАГ (70:30), (50:50), (10:90). Биоцидная активность зависит от количества АГ и МАГ в макромолекулярной цепи. По отношению к Candida albicans наиболее активным оказались образцы АА-МАГ (10:90) и АА-АГ (20:80).

Сополимеры АГ и МАГ с ММГ не активны по отношению к изученным микроорганизмам, но обладают высокой фунгицидной активностью по отношению к патогенной грибковой микрофлоре Candida albicans, примечательно, что соответствующие гомополимеры проявляют бактерицидную активность, а фунгицидной активностью не обладают. Так, наибольший противогрибковый эффект был получен для образцов сополимеров МАГ с ММГ с исходным составом сомономеров 50:50 и 70:30.

Исследование токсичности ряда сополимеров АА с МАГ и АГ с использованием биоиндикатора Daphnia magma Strauss выявило, что токсичность образцов зависит от состава сополимеров, с увеличением содержания акрилата и метакрилата гуанидина токсичность полиакриламидных флокулянтов снижается.

Исследование флокулирующих свойств новых сополимеров акриламида

Для оценки флокулирующей активности полиэлектролитов в качестве модельной системы использовали водную суспензию каолина.

Так как на флокулирующую способность оказывает влияние величина заряда макромолекулы, то для исследования выбрали сополимеры с различной степенью содержания звеньев акрилатных мономеров в макромолекулярной цепи. В качестве объекта сравнения использован ПАА.

На рис.3. показано влияние концентрации флокулянтов разного состава на флокулирующий эффект (F), который рассчитывали по формуле (1)

F = (n0 - n) / n, (1)

где n0 и n - соответственно оптическая плотность воды (определена турбидиметрическим методом) в отсутствие и в присутствии флокулянта (и коагулянта).

Рис.3.Зависимость флокулирующего эффекта F от концентрации и состава сополимеров 1- ПАА; 2- АГ-АА (20:80); 3- АГ-АА (40:60); 4- МАГ-АА (20:80); 5- МАГ-АА (40:60); 6- МАГ-АА (30:70)

Опыты, проведенные на одной партии природной воды (мутность 4,2 мг·л–1, цветность 48,5 градусов) показали увеличение флокулирующего эффекта с ростом концентрации сополимера для всех флокулянтов. Это следствие увеличения концентрации макромолекулярных мостиков, образованных при адсорбции макромолекул на поверхности частиц дисперсной фазы, что формировало крупные агрегаты из частиц дисперсной фазы и макромолекул и снижало устойчивость системы.

Выявлено, что образцы сополимеров МАГ-АА характеризуются большими величинами F по сравнению с АГ-АА. Сопоставление данных при постоянной концентрации флокулянтов, свидетельствует о возрастании значений F при переходе к сополимерам с более высоким содержанием звеньев МАГ и АГ. Отвечающий норме F = 0,7 (определен при n = 0,172 и = 364 нм, соответствующей мутности очищенной воды) достигается при меньших значениях концентрации сополимера АА: МАГ по сравнению с ПАА.

Максимальный флокулирующий эффект наблюдается у сополимера состава 70:30. Очевидно, при этом реализуется оптимальное соотношение между плотностью заряда и гибкостью макромолекул, которое обеспечивает охват полимерными мостиками большего числа частиц дисперсной фазы, увеличению размера флокул и флокулирующего эффекта.

Определения остаточного сополимера в очищенной воде с использованием метода Буркета показало, отсутствие в очищенной воде полимера, что свидетельствует о том, что в исследованных условиях сополимеры практически полностью взаимодействуют с коллоидными частицами.

ВЫВОДЫ

1. Впервые синтезированы и комплексом физико-химических методов установлены состав, структура и некоторые свойства новых сополимеров на основе АГ и МАГ с АА и ММГ.

2. Исследованы кинетические особенности радикальной сополимеризации АГ и МАГ с АА и ММГ в водных растворах, определены константы сополимеризации и характеристические вязкости.

3. Выявлено, что уменьшение скорости сополимеризации с увеличением концентрации ионогенного мономера связано со специфической особенносью строения и свойств полимеризующихся частиц, следствием чего является увеличение константы обрыва.

4. Установлено, что при радикальной сополимеризации гуанидинсодержащих мономеров в водных средах при избытке ММГ образуются низкомолекулярные полимеры, что вызвано значительным влиянием пространственных факторов и высокой положительной полярности винильной группы ММГ в связи, с чем данный мономер не образует гомополимеров.

5. Проведены бактерицидные и токсикологические испытания синтезированных сополимеров на основе АГ и МАГ на ряде клеточных культур. Показано, что при значительной биоцидной активности, они характеризуются невысокой токсичностью. Обнаружена высокая противогрибковая активность сополимеров АГ и МАГ с ММГ.

6. Определены флоккулирующие свойства сополимеров АА с АГ и МАГ и найдены оптимальные условия их эффективного применения в процессах очистки и обеззараживания воды.

Сапаев, Х. Х. Новые полифункциональные нанокомпозиты на основе глинистых минералов и биоцидных полимеров для очистки воды [Текст] / Х. Х. Сапаев., С. Ю. Хаширова., А. В. Лабазанова., Ю. А. Малкандуев // I-я Всероссийская научно-техническая конференция «Наноструктуры в полимерах и полимерные нанокомпозиты». - Нальчик.: КБГУ, 2007. - С. 245 - 249.
Сапаев, Х. Х. Особенности реакций радикальной полимеризации акрилат- и метакрилатгуанидинов [Текст] / Х. Х. Сапаев., С. Ю. Хаширова., Н. А. Сивов., Ю. А. Малкандуев // III-я Всероссийская научно-практическая конференция «Новые полимерные композиционные материалы». - Нальчик.: КБГУ, 2007. - С. 160 - 164.
Сапаев, Х. Х. Конформационное поведение растущих цепей поли (мет) акрилатгуанидинов в водных растворах [Текст] / Х. Х. Сапаев., С. Ю. Хаширова., Н. А. Сивов., Ю. А. Малкандуев // III-я Всероссийская научно-практическая конференция «Новые полимерные композиционные материалы». - Нальчик.: КБГУ, 2007. - С. 149 - 153.
Сапаев, Х. Х. Радикальная полимеризация азотосодержащих диаллильных мономеров [Текст] / Х. Х. Сапаев., С. Ю. Хаширова., Ю. А. Малкандуев // Материалы всероссийской научно-практической конференции молодых ученных, аспирантов и студентов. - Грозный.: ЧГУ, 2008. - С. 154 - 162
Сапаев, Х. Х. Модификация целлюлозы биоцидными полиэлектролитами [Текст] / Х. Х. Сапаев., С. Ю. Хаширова., Ю. А. Малкандуев., А. К. Микитаев // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Экологическая ситуация на Северном Кавказе: проблемы и пути их решения». - Грозный.: ЧГУ, 2008. - С. 414 - 419.
Сапаев, Х. Х. Сополимеры гуанидинсодержащих ионогенных мономеров эффективные биоцидные полимеры [Текст] / Х. Х. Сапаев., С. Ю. Хаширова., Ю. А. Малкандуев // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Экологическая ситуация на Северном Кавказе: проблемы и пути их решения». - Грозный.: ЧГУ, 2008. - С. 419 - 424.
Сапаев, Х. Х. Химическая модификация целлюлозы метакрилатом гуанидина [Текст] / Х. Х. Сапаев., С. Ю. Хаширова., Ю. А. Малкандуев // Вестник ЧГУ. - 2008г. - №2. - С. 50 - 53.
Сапаев Х.Х. Исследование биоцидно-токсикологических характеристик новых полиакриламидных флокулянтов [Текст] / Х.Х. Сапаев., С.С. Пекарь., С.Ю. Хаширова., Ю.А. Малкандуев // Журнал «Пластические массы». - 2008. - №5, - С. 53-54.

Автор считает своим долгом выразить большую благодарность к.х.н., заведующему лаборатории химии полиэлектролитов и поверхностно-активных полимеров ИНХС РАН Сивову Н.А. за помощь и научную консультацию при выполнении диссертационной работы.

Радикальную сополимеризацию обычно инициируют теми же способами, что и радикальную гомополимеризацию. Элементарные стадии радикальной сополимеризации протекают по тем же механизмам, что и при гомополимеризации.

Рассмотрим сополимеризацию двух мономеров. Предполагая, что активность растущих радикалов определяется лишь типом концевого звена, при описании кинетики реакции следует учитывать четыре элементарные реакции роста цепи:

Реакция ростаСкорость реакции роста

~R 1 + М 1 ~R 1 k 11

~R 1 + М 2 ~R 2 k 12

~R 2 + М 1 ~R 1 k 21

~R 2 + М 2 ~R 2 k 22

где M i --мономер i-ro типа; ~R j --макрорадикал, оканчивающийся звеном М j , k ij - константа скорости присоединения М j мономера к ~R i радикалу.

Кинетическая обработка приведенной реакционной схемы в квазистационарном приближении позволяет установить связь между составом сополимеров и составом исходной смеси мономеров. В квазистационарном состоянии концентрации радикалов ~R 1 - и ~R 2 - постоянны, т. е. скорости перекрестного роста цепи равны между собой:

k 12 = k 21 (1-6)

Скорости превращения мономеров при сополимеризации описываются уравнениями

Для отношения скоростей этих реакций получим:

Исключая из этого уравнения стационарные концентрации радикалов и с помощью условия квазистационарности (1.6), получим выражение

здесь r 1 = k 11 /k 12 и r 2 = k 22 /k 21 -- так называемые константы сополимеризации . Величины r 1 и r 2 представляют собой отношения констант скоростей присоединения к данному радикалу «своего» и «чужого» мономеров. Значения r 1 и r 2 зависят от" химической природы реагирующих мономеров. На начальных стадиях превращения, когда без большой ошибки можно положить концентрации мономеров и [М 2 ] постоянными, состав сополимера будет определяться уравнением

где [] и -- концентрации мономерных звеньев в макромолекуле.

Зависимость состава сополимеров от состава смеси мономеров удобно характеризовать диаграммой состав мономерной смеси - состав сополимера (рис. 1.1). Форма получаемых кривых (1 - 4) зависит от значений r 1 и r 2 . При этом возможны следующие случаи: 1) r 1 = r 2 = 1, т. е. для всех соотношений концентраций мономеров в реакционной смеси, состав сополимера равен составу исходной смеси; 2) r 1 > 1, r 2 < 1, т. е. для всех соотношений концентраций мономеров в исходной смеси сополимер обогащен звеньями M 1 ; 3) r 1 < 1, r 2 > 1, т. е. для всех исходных соотношений концентраций мономеров сополимер обогащен звеньями М 2 ; 4) r 1 < 1 и r 2 < 1, т. е. при малых содержаниях M 1 в исходной смеси мономеров сополимер обогащен звеньями М 1 а при больших - звеньями М 2 . В последнем случае наблюдается склонность к чередованию в сополимере звеньев M 1 и М 2 , которая тем больше, чем ближе к нулю значения r 1 и r 2 , Случай, r 1 > 1 и r 2 > 1, которому должна соответствовать тенденция к раздельной полимеризации мономеров в смеси, на практике не реализуется.

Константы r 1 и r 2 могут быть определены экспериментально. Знание их позволяет предсказать состав сополимера и распределение мономерных звеньев в цепях при любом соотношении мономеров в смеси. Значения r 1 и r 2 при радикальной сополимеризации и, следовательно, состав сополимера обычно слабо зависят от природы растворителя и мало изменяются с температурой.

Рис.

Таблица 1.2. Константы радикальной сопблимеризации некоторых мономеров

Рассмотрение констант r 1 и r 2 в рамках теории идеальной радикальной реакционной способности приводит к заключению, что r 1 = r 2 =1, т. е. константы скоростей присоединения одного из мономеров к обоим радикалам в одинаковое число раз больше констант скоростей присоединения другого мономера к этим радикалам. Для ряда систем это условие хорошо оправдывается на опыте. В таких случаях мономерные звенья обоих типов располагаются в макромолекулах случайно. Однако для многих систем r 1 x r 2 < 1, отклонения связаны с влиянием полярных и пространственных факторов, которые обусловливают тенденцию мономерных звеньев M 1 и M 2 к чередованию в макромолекулах. В табл. 1.2 в качестве примеров приведены значения констант сополимеризации и их произведений для некоторых пар мономеров.

Схема «Q - е». Учет полярных факторов был сделан в рамках полуэмпирической схемы, называемой схемой «Q -- е», в которой принято, что

k 11 = P 1 Q 1 exp{-e 1 2 }

и k 12 = P 1 Q 2 exp{-e 1 e 2 }

где Р и Q -- параметры, соответствующие энергиям сопряжения в мономере и радикале, согласно теории идеальной радикальной реакционной способности; е 1 и е 2 -- величины, учитывающие поляризацию реагирующих мономеров и радикалов.

r 1 = Q 1 /Q 2 exp{-e 1 (e 1 -e 2)}

и аналогично

r 2 = Q 2 /Q 1 exp{-e 2 (e 2 -e 1)}

Используя эту схему, можно оценить относительную реакционную способность мономеров и роль полярных факторов для большого числа пар cополимеризующихся мономеров. За стандартный мономер обычно принимают стирол со значениями Q = 1, е = -0.8. При сополимеризации стирола с другими мономерами последние характеризуются своими значениями Q и е, что дает возможность предсказать поведение этих мономеров в реакциях сополимеризации с другими мономерами, для которых также установлены значения Q и е. Хотя схема «Q-e» пока не имеет полного теоретического обоснования, практически она оказалась очень полезной. Значения Q и е большинства мономеров собраны в справочной литературе.

УДК 541.64:547.32:547.371

РАДИКАЛЬНАЯ СОПОЛИМЕРИЗАЦИЯ СТИРОЛА И НЕНАСЫЩЕННЫХ ГЛИЦИДИЛОВЫХ ЭФИРОВ

М.А. Черниговская, Т.В. Раскулова

Ангарская государственная техническая академия,

665835, Иркутская область, г. Ангарск, ул. Чайковского, 60, [email protected]

Исследована бинарная радикальная сополимеризация ненасыщенных глицидиловых эфиров (алли-лглицидилового эфира, винилглицидилового эфира этиленгликоля) со стиролом в среде толуола. Рассчитаны константы сополимеризации и микроструктура полученных сополимеров. Установлено, что состав сополимеров зависит от строения ненасыщенного глицидилового эфира. Сополимеры аллилглицидилового эфира при любом составе исходной мономерной смеси близки по своему строению к чередующимся. При сополимеризации стирола с винилглицидиловым эфиром этиленгликоля последний характеризуется меньшей реакционной способностью. Ил. 2. Табл. 3. Библиогр. 14 назв.

Ключевые слова: радикальная сополимеризация; стирол; аллилглицидиловый эфир; винилглициди-ловый эфир этиленгликоля.

RADICAL COPOLYMERIZATION OF STYRENE AND UNSATURATED GLYCIDYL ETHERS

M.A. Chernigovskaya, T.V. Raskulova

Angarsk State Technical Academy,

60, Chaikovskogo St., 665835, Angarsk, Irkutsk Region, 665835 Russia, [email protected]

The radical copolymerization of styrene and unsaturated glycidyl ethers (allyl glycidyl ether, ethylene glycol vinyl glycidyl ether) was examined in toluene solution. The reactivity ratios and parameters of copolymer microstructure were calculated. It was found that copolymer composition depends on unsaturated glycidyl ethers structure. Copolymers of styrene and allyl-glycidyl ether have alternative structure. Ethylene glycol vinyl glycidyl ether has less reactivity than styrene in copolymerization. 2 figures. 3 tables. 14 sources.

Key words: radical copolymerization; styrene; allyl glycidyl ether; ethylene glycol vinyl glycidyl ether. ВВЕДЕНИЕ

Одним из перспективных направлений в ется синтез сополимеров с активными функци-химии высокомолекулярных соединений явля- ональными группами. В качестве мономеров

для таких синтезов все больший интерес представляют эпоксидные соединения и, в частности, ненасыщенные глицидиловые эфиры (НГЭ). Сополимеры, содержащие в своем составе звенья НГЭ, интересны для теоретических исследований, так как одновременное наличие в составе НГЭ оксиранового цикла и атомов кислорода в боковой цепи делает возможным проявление эффектов комплексообра-зования.

С другой стороны, такие полимеры предоставляют широчайшую возможность к направленной модификации за счет проведения по-лимераналогичных реакций по оксирановым циклам и, следовательно, открывают путь к получению материалов, в том числе композиционных, с заранее заданным ценным комплексом свойств.

Спектр НГЭ, используемых в реакциях радикальной сополимеризации, достаточно широк, однако наиболее изученными в настоящее время являются производные метакриловой кислоты (например, глицидилметакрилат), ал-лилглицидиловый эфир (АГЭ), а также винилг-лицидиловые эфиры гликолей (например, ви-нилглицидиловый эфир этиленгликоля (ВГЭ)). Наиболее интересными в качестве модификаторов промышленных полимеров представляются АГЭ и ВГЭ, так как за счет невысокой реакционной способности они должны входить в состав полимеров в ограниченных количествах, не изменяя при этом общего комплекса свойств базового полимера .

Традиционные области использования этих соединений в процессах сополимеризации подробно рассмотрены в работах . В последнее время, эпоксисодержащие сополимеры все чаще используются для изготовления различных наноматериалов и нанокомпозиций [например, 5,6], а также функциональных полимерных композиционных материалов . Поэтому исследование процессов сополимериза-ции НГЭ, в том числе, АГЭ и ВГЭ, с базовыми промышленными мономерами представляет несомненный научный интерес.

Целью настоящей работы являлось исследование бинарной радикальной сополимериза-ции стирола (Ст) с АГЭ и ВГЭ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для синтеза сополимеров использовали товарный Ст производства ОАО АЗП (чистота

99.8 %) с константами: р = 0,906 г/мл, 1кип = = 145 °С, АГЭ (продукт компании «АШсИ») с константами: р = 0,962 г/мл, ^ип = 154 °С, пй20 = = 1,4330, и ВГЭ, полученный в ИрИХ СО РАН, очищенный до хроматографической чистоты

99.9 % со следующими константами: р = 1,038

г/мл, ^ип = 204 °С, = 1,4310.

Сополимеризацию проводили в растворе толуола при температуре 60°С и десятикратном избытке растворителя. В качестве инициатора использовали динитрил азо-бис-изомасляной кислоты в количестве 1% масс. Полученные сополимеры выделяли осаждением изобутанолом, очищали переосаждением изобутанолом из ацетона и высушивали до постоянной массы.

Состав полученных продуктов устанавливали по данным элементного анализа (С, Н), функционального анализа (содержание эпоксидных групп) и ИК-спектроскопии. Определение содержания эпоксидных групп в составе сополимеров проводили методом обратного титрования с хлороводородной кислотой согласно . Относительную вязкость определяли для 1 %-ных растворов в циклогексаноне при 25 °С.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В зависимости от состава исходной смеси полученные сополимеры являются твердыми порошкообразными или аморфными веществами белого цвета, хорошо растворимыми в полярных растворителях.

Факт протекания сополимеризации в исследованных системах подтверждали с помощью данных турбидиметрического титрования . Например, на кривых турбидиметриче-ского титрования сополимеров Ст - ВГЭ (рис. 1) наблюдается один перегиб, что свидетельствует об образовании сополимеров, а не смеси двух гомополимеров. Аналогичная картина наблюдается для сополимеров Ст - АГЭ.

В ИК-спектрах НГЭ наблюдается полоса поглощения в области 1620-1650 см-1, характерная для двойной связи. Наличие оксирано-вого цикла подтверждается присутствием в спектре полос поглощения в следующих областях: 765 и 915 см-1, относящихся к ассиммет-ричным валентным колебаниям эпоксидного кольца; 1230 см-1, относящейся к симметричным валентным колебаниям эпоксидного кольца; 3060 см-1, отвечающей колебаниям метилено-вой группы в эпоксидном кольце.

В ИК-спектрах сополимера полосы поглощения, характерные для двойной связи, отсутствуют, что подтверждает протекание процесса сополимеризации по винильной или аллильной группам. В областях поглощения, характерных для оксиранового цикла и алкильных групп, спектры сополимеров идентичны спектрам исходных НГЭ.

Экспериментальные данные, полученные в результате исследования процессов сополимеризации в системах Ст - ВГЭ и Ст - АГЭ, представлены в табл. 1.

Предполагалось, что исследованные НГЭ

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Объем осадителя, мл

Рис. 1. Зависимость оптической плотности растворов сополимеров Ст - ВГЭ от объема добавленного осадителя (метанол). Содержание ВГЭ в исходной смеси (% мол.): 1 - 10; 2 - 25; 3 - 50

Таблица 1

Общие закономерности сополимеризации Ст - НГЭ в растворе толуола _(ДАК1% масс., 60°С, 2 ч)__

№ Состав исходной смеси, % мол. Состав сополимера, % мол. Выход, %

Ст НГЭ Ст НГЭ

Система Ст - АГЭ

1 95 5 36,36 63,64 3,7

2 90 10 55,14 44,86 12,6

3 70 30 47,16 52,84 32,4

4 50 50 92,32 7,68 20,2

5 30 70 46,73 53,27 19,8

6 10 90 60,13 39,87 19,3

Система Ст - ВГЭ

1 90 10 91,98 8,02 68,5

2 75 25 79,93 20,07 56,7

3 50 50 67,95 32,05 46,2

4 25 75 55,08 44,92 38,1

5 10 90 46,45 53,55 32,5

обладают более низкой реакционной способностью в радикальной сополимеризации, чем Ст. Такая картина действительно наблюдается для сополимеров Ст - ВГЭ. Они обогащены звеньями Ст во всем исследованном интервале исходных смесей, при этом содержание звеньев ВГЭ в составе сополимеров возрастает симбатно его количеству в мономерной смеси (табл. 1).

Для сополимеров Ст - АГЭ наблюдается

иная картина. При любом составе исходной мономерной смеси содержание звеньев Ст и АГЭ в сополимерах практически одинаково и составляет от 40 до 64% мол., что свидетельствует об образовании продуктов, близких к чередующимся (табл. 1).

Как показывает анализ литературных дан ных, для АГЭ характерно протекание процессов чередующейся сополимеризации с достаточно

Таблица 2

Общие закономерности сополимеризации ВХ - НГЭ в растворе толуола

(ДАК 1 % масс., 60 °С, 2 ч)

Состав исходной смеси, % мол. Состав сополимера, % мол. Выход, % Вязкость [Г|], дл/г

ВХ НГЭ ВХ НГЭ

Система ВХ - АГЭ

95,0 5,0 96,79 3,21 3,19 0,20

90,0 10,0 93,92 6,08 2,88 0,15

85,0 15,0 87,92 10,58 2,56 0,08

73,7 26,3 76,19 23,81 2,69 0,04

30,1 69,9 44,69 55,31 2,48 0,04

Система ВХ - ВГЭ

95,0 5,0 95,55 4,45 3,78 0,29

90,0 10,0 92,44 7,56 3,45 0,26

80,0 20,0 88,44 11,56 3,01 0,22

75,0 25,0 78,79 21,21 2,91 0,17

25,0 75,0 36,62 63,38 2,23 0,13

широким кругом мономеров [например, 11, 12]. Это объясняется образованием комплексов с переносом заряда между АГЭ и вторым сомоно-мером, в которых АГЭ играет роль донора. Однако исследование бинарной радикальной сополимеризации АГЭ с ВХ, проведенное авторами , не выявило образования чередующихся сополимеров (табл. 2).

Образование чередующихся сополимеров при сополимеризации АГЭ со Ст можно связать с образованием комплексов с переносом заряда между эпоксигруппой АГЭ и ароматическим кольцом стирола. Образующийся комплекс далее играет роль «индивидуального мономера» в сополимеризации, что приводит к получению продуктов чередующейся структуры.

Выходы продуктов, в общем, уменьшаются

с ростом содержания звеньев малоактивных мономеров в составе сополимеров (табл. 1), что обусловлено увеличением концентрации НГЭ в исходной смеси сомономеров. Повышение концентрации малоактивного мономера увеличивает его содержание в сополимере, но уменьшает суммарную скорость роста цепи и, следовательно, снижает выход продукта и его молекулярную массу. Данное рассуждение подтверждают значения относительной вязкости растворов сополимеров (например, Ст-АГЭ) и их зависимость от содержания эфиров в исходной смеси (рис. 2).

Расчет констант относительной активности мономеров (констант сополимеризации) для исследованных систем проводили разными методами. Константы сополимеризации системы

Рис. 2 Зависимость относительной вязкости сополимеров Ст - АГЭ от содержания АГЭ в исходной смеси

Таблица 3

Константы сополимеризации и средние длины блоков звеньев Ст ^^ _и НГЭ ^2) в составе сополимеров_

Система M1 m1 r Li L2

Система Ст - АГЭ 0,70 0,47 r1 = 0,09 1 1

0,50 0,92 r2 = 0,05 21 1

0,75 0,20 n1 = 1,13 ± 0,09 n2 = 0,22 ± 0,02 10 1

Система Ст - ВГЭ 0,50 0,32 9 1

Ст - АГЭ рассчитывали на основании данных функционального анализа нелинейным методом наименьших квадратов в пакете MathCAD 11 Enterprise Edition, позволяющим проводить расчеты по любым наборам экспериментальных данных. Константы сополимеризации для системы Ст - ВГЭ рассчитывали стандартными методами Файнмана - Росса и Келена - Тюдо-ша с использованием метода планирования эксперимента по Мортимеру и Тидвелу . Значения констант сополимеризации представлены в табл. 3. На основании значений констант сополимеризации были определены параметры микроструктуры сополимеров, которые также приведены в табл. 3.

Полученные значения констант сополимеризации подтверждают сделанное ранее заключение о различной реакционной способности НГЭ в процессах сополимеризации со Ст. Для системы Ст - АГЭ величины рассчитанных констант сополимеризации близки к нулю, что характерно для чередующихся сополимеров. Расчет микроструктуры данных сополимеров показал, что независимо от состава исходной смеси получаются практически строго чередующиеся продукты (табл. 3).

Значения констант относительной активности для сополимеров Ст - ВГЭ свидетельствуют о меньшей реакционной способности ВГЭ в радикальной сополимеризации по сравнению со Ст. ВГЭ присутствует в структуре данных со-

полимеров только в виде единичных звеньев, а длина блоков звеньев Ст в сополимерах закономерно уменьшается со снижением доли Ст в исходной смеси.

Таким образом, структура сополимеров Ст и НГЭ, по-видимому, может быть отражена следующей формулой:

- // ЖПХ. 1998 Т. 71, № 7. С. 1184-1188.

2. Винилглицидиловые эфиры гликолей - перспективные мономеры для полимеризационных процессов / Л.С. Григорьева [и др.]. Л.: Изд-во ЛТИ, 1982. 9 с.

3. Раскулова Т.В. Сополимеризация винилга-логенидов с функционально замещенными виниловыми мономерами: дис... д-ра хим. наук: 02.00.06: защищена 21.04.2010: утв. 08.10.2010. Иркутск, 2010. 315 с.

4. Покровская М.А., Раскулова Т.В. Сополимеризация аллилглицидилового эфира со стиролом // Вестник АГТА. 2011. № 5. С. 87-89.

5. Surface functionalization of Si3N4 nanoparticles by graft polymerization of glycidyl methacrylate and styrene / Luo Ying // J. Appl. Polym. Sci. 2006. V. 102. № 2. P. 992.

6. Tan Chung-Sung, Kuo Ting-Wu. Synthesis of polycarbonate-silica nanocomposites from copolymeriza-tion of CO2 with allyl glycidyl ether, cyclohexene oxide, and sol-gel // J. Appl. Polym. Sci. 2005. V. 98. № 2. P. 750.

7. Формирование композитов на основе ви-нилглицидилового эфира этиленгликоля и винилхло-рида / О.В. Лебедева [и др.] // Пластические массы. 2013. № 9. С. 35-39.

8. Калинина М.С. Анализ конденсационных полимеров. М.: Наука, 1983. 296 с.

9. Практическое руководство по определению молекулярных весов и молекулярно-массового распределения полимеров / А.И. Шатенштейн [и др.]. М.: Химия, 1964. 188 с.

10. Фракционирование полимеров / под ред. М. Кантова. М.: Мир, 1971. 444 с.

11. Heatley F., Lovell P.A., McDonald J. NMR-studies of free-radical polymerization and copolymeriza-tion of monomers and polymers containing allyl groups // Eur. Polym. J. 2. 1993. V. 29, № 2. Р. 255.

12. Yu Qing-bo, Bai Ru-ke, Zhang Ming-Хи. Живая радикальная сополимеризация аллилглицидилового эфира с метилакрилатом в присутствии бензилими-дазол-1-карбодитионата // Anhui ligong daxue xuebao. Ziran kexue ban; J. Anhui Univ. Sci. and Technol. Natur. Sci. 2006. V. 26, № 3. P. 56.

13. Эффект предпоследнего звена в сополимеризации винилхлорида и непредельных глицидило-вых эфиров / Т.В. Раскулова [и др.] // Высокомолекулярные соединения А. 2000. Т. 42, № 5. С. 744-750.

14. Tidwell P.W., Mortimer G.A. An Improved Method of Calculating Copolymerization Reactivity Ratios // J. Polym. Sci. A. 1965. V. 3. P. 369.

Рис.9. Зависимость начальной скорости сополимеризации (1,4) и характеристической вязкости (2,3) сополимера МАГ с АА (1,2) и АГ с АА (3,4) от содержания ионогенного мономера в исходной реакционной смеси.

Из рис. 9 следует также, что наиболее высокомолекулярные образцы сополимеров (суждение по значениям [h]) получаются в мономерных смесях, обогащенных АА.

Наиболее вероятная причина наблюдаемого уменьшения константы скорости роста цепей с увеличением концентрации ионогенного сомономера заключается в том, что концентрация сильно гидратированных акрилат- и метакрилатанионов в относительно гидрофобных незаряженных клубках макрорадикалов оказывается ниже их средней концентрации в растворе, косвенным подтверждением чему является снижение приведенной вязкости раствора сополимера с увеличением содержания звеньев АГ и МАГ.

Уменьшение [h] логичнее связать со структурирующим действием ионов АГ и МАГ на молекулы воды, которое приводит к уменьшению объемных эффектов, т.е. качество воды как растворителя для ПААм ухудшается.

Очевидно, что явления, наблюдаемые при радикальной сополимеризации с участием ионизующихся мономеров АГ и МАГ, не могут быть объяснены только на основании классических представлений и параметры r 1 и r 2 могут служить лишь в качестве условных величин, отражающих влияние тех или иных факторов на поведение данного мономера при сополимеризации.

Таким образом, наблюдаемые особенности и различия в ряду рассматриваемых мономеров объясняются сложным характером вкладов различных физико-химических процессов, определяющих протекание реакции сополимеризации акриламида с гуанидинсодержащими мономерами акрилового ряда. Вместе с тем, основной вклад в изменение эффективной реакционноспособности полимеризующихся частиц вносят, ассоциативные взаимодействия между гуанидиновыми и карбоксильными группами (как внутри- так и межмолекулярные) и структурная организация соответствующих мономеров и полимеров в процессе сополимеризации.

3.2 Радикальная сополимеризация мономалеината гуанидина с акрилат- и меткрилатгуанидином в водных средах

Ионообменные сорбенты, коагулянты и флоккулянты, биоциды, разделительные мембраны, структураторы почв, модели биополимеров, полимерные носители различного рода функциональных фрагментов – таков далеко не полный перечень практического применения синтетических полиэлектролитов. Один и распространенных и перспективных путей получения полиэлектролитов – радикальная полимеризация и сополимеризация мономеров, ионизующихся в водных растворах.

В настоящей работе рассматривается синтез биоцидного сополимера на основе акрилат- и метакрилатгуанидина с мономалеинатом гуанидина. Радикальная гомополимеризация и сополимеризация гуанидинсодержащих соединений является объектом исследования многих авторов , главным образом в связи с возможностью получения полимерных материалов с комплексом специфических свойств, в том числе и биоцидных. Однако в литературе мало сведений относительно изучения процессов радикальной сополимеризации ионогенных мономеров, содержащих одинаковые функциональные группы. В связи с этим, изучение процессов сополимеризации гуанидинсодержащих ионогенных мономеров представляется нам весьма актуальным. Известно , что малеинаты в силу симметричности строения, пространственных факторов и высокой положительной полярности винильной группы не образует гомополимеров в присутствии радикальных инициаторов. Экспериментальные результаты, полученные в данной работе также показали, что гомополимеризация мономалеината гуанидина (ММГ) в исследованных условиях затруднена. Так, например, степень превращения мономера ММГ в полимер в условиях ([ММГ] = 2 моль×л –1 ; 60 °С; [ПСА] = 5×10 –3 моль×л –1 ;H 2 O; время полимеризации 72 часа) составляет около 3% ([η] = 0,03 дл×г –1). Все эти факты говорят о существенном вкладе указанных выше факторов в процесс гомополимеризации исследованной нами системы.

Вместе с тем, существенно отметить, что при исследовании реакции радикальной сополимеризации ММГ с метакрилатом гуанидина (МАГ) был получен ряд сополимеров различного состава с достаточно высокими характеристическими вязкостями, и, следовательно, молекулярными массами.

Радикальную сополимеризацию исследовали в водных (бидистиллят), водно-метанольных и метанольных растворах, в качестве инициаторов использовали радикальные инициаторы персульфат аммония (ПСА) и динитрил азобисизомасляной кислоты (ДАК) ([I] = 10 –2 -10 –3 моль×л –1) в интервале температур 20 – 60 °С.

Предварительно было установлено, что в отсутствии инициатора полимеризация не происходит.

Приготовленную реакционную смесь дегазировали в ампулах на вакуумной установке (10 –3 мм рт. ст.), после чего ампулы отпаивали и помещали в термостат. В случае распада инициатора при низких температурах (20 °С, УФ) реакционный раствор переносили в кварцевые кюветы (в вакууме).

Сополимеризацию проводили до различных степеней конверсии (исследование полимеризации и сополимеризации до глубоких степеней конверсии может дать важные в практическом отношении результаты), и были выявлены следующие закономерности. Во всех случаях наблюдается образование сополимеров, обогащенных звеньями АГ и МАГ по сравнению с исходной смесью сомономеров (табл. 11), что указывает на большую реакционную способность МАГ в реакциях роста цепи.

Таблица 11

Зависимость состава сополимера от исходного состава реакционного раствора при сополимеризации АГ (МАГ) (М 1) и ММГ (М 2) M 1 + M 2 ] = 2,00 моль/л; [ПСА]= 5·10 –3 моль·л –1 ; Н 2 О; 60 °С.

№ п/п	Исходные сомономеры М 1:М 2 , мол.%	Сополимеры а М 1:М 2 , (мол. %)/ [h] б, дл/г
АГ-ММГ		МАГ-ММГ
1	Исходные сомономеры М 1:М 2 , мол.%	40:60	90:10	0,35	75:25	0,15
2	50:50	95:5	0,55	68:32	0,20
3	70:30	75:25	0,88	90:10	0,27
4	80:20	97:3	0,93	96:4	0,41
5	90:10	98:2	0,98	98:2	0,53

Примечание. а) Определялось по данным ЯМР 1 H и ИК-спектроскопии.

б) Определялась при 30 °С в 1н водном растворе NaCl.

На основании исследований радикальной сополимеризации МАГ и ММГ можно сделать вывод, что сополимеризация происходит только при избытке метакрилата гуанидина. Если в избытке находится мономалеинат гуанидина, то ни сополимеризация, ни гомополимеризация метакрилата гуанидина не наблюдается.

Состав синтезированных полимерных продуктов подтвержден методами ЯМР 1 Н и ИК-спетроскопии.

Преобладающий вклад стерического фактора в реакционную способность мономалеината гуанидина в реакции сополимеризации с АГ и МАГ подтверждается значениями констант сополимеризации, которые представлены в табл..

Таблица 12

Значение эффективных констант сополимеризации в системах

АГ(МАГ) (М 1) – ММГ (М 2)

([М] сум = 2 моль×л –1 ; [ПСА] = 5×10 –3 моль×л –1 ; 60 °С, Н 2 О)

3.3 Физико-химические свойства синтезированных сополимеров

Исследования методом ЯМР 1 Н и ИК-спектроскопии синтезированных в представленной работе полимерных соединений подтвердили предполагавшуюся структуру объектов исследования. Изучение спектров ЯМР 1 Н синтезированных сополимеров позволило определить сомономерный состав анализом интегральных интенсивностей различных сигналов.

3.3.1 ИК-спектральные исследования синтезированных сополимеров

Анализ ИК-спектральных характеристик проводился сравнением спектров мономерной гуанидисодержащей соли и акриламида, взятыми в качестве моделей, а также сравнением спектров полимерных соединений, которые должны были подтвердить соответствующие изменения в спектрах при переходе от мономеров к сополимерам. ИК спектры всех соединений регистрировали в твердом виде в таблетках KBr.

ИК-спектральные характеристики исходных гуанидинсодержащих мономеров приведены в табл. 13.

Таблица 13

ИК спектральные данные акриловых производных гуанидина а

а Положение пиков соответствующих сигналов приведено в см –1 .

При исследовании ИК-спектров сополимеров АГ и МАГ и АА найдено, что в образовавшихся сополимерах присутствуют полосы поглощения характерные для деформационных колебаний связи N-H в акриламиде 1665 см –1 и интенсивные полосы скелетных деформационных колебаний в узле СН 3 -С= метакрилатгуанидина при 1470 и 1380 см –1 . Причем, в зависимости от состава сополимера интенсивность этих полос меняется. В силу близости строения АА и АГ характеристические полосы сомономеров накладываются и ИК спектры для данной пары недостаточно информатины. В спектрах присутствует также полоса поглощения карбоксилат-иона (1560-1520 см –1). Полосы валентных колебаний N-H связей сильно сдвинуты в сторону длинных волн (3130 и 3430 см –1) и являются достаточно интенсивными. В спектре сополимера присутствует интенсивная широкая полоса с максимумом при 1648 см –1 , которая, конечно, искажена поглощением деформационных колебаний воды в этой области, но интенсивность ее и наличие нескольких перегибов на плечах свидетельствует о том, что в данном соединении присутствует и связь N=C и NH 2 группа.