Интенсификация процесса получения пленок хитозана Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 661.77

О.С. Арзамасцев, С.Е. Артеменко, В.Ф. Абдуллин, С.В. Арзамасцев ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК ХИТОЗАНА

Установлена возможность использования многокомпонентного растворителя для получения растворов хитозана и интенсификации процесса формования пленок из него, а также исследованы характеристики получаемых пленок.

Хитозан, пленка, уксусная кислота, этиловый спирт, растворитель

O.S. Arzamastsev, S.E. Artemenko, V.F. Abdullin, S.V. Arzamastsev INTENSIFICATION OF THE PROCESS FOR RECEIVING CHITOSAN FILMS

Possibility of use multicomponent solvent for reception of solutions хитозана and intensifications of process of formation of films from it is established, and also characteristics of received films are investigated.

Chitosan, film, acetic acid, ethyl spirit, solvent

Хитин и хитозан, а также производные этих полисахаридов, получаемых из панцирей ракообразных, считаются одними из наиболее перспективных биоматериалов будущего. По некоторым оценкам, объем производства изделий из этих биополимеров в 2005 году составил более 2 млрд. долларов, из которых 75% использовано в крупнейших отраслях промышленности, таких как пищевая, медицинская, косметическая и др. Уникальная структура хитозана обусловливает проявление целого ряда полезных свойств, основными из которых являются гипоаллергенность, биодеградируемость, биосовместимость, способность к пленко- и волокнообразованию, антимикробные свойства.

Одним из наиболее перспективных направлений расширения областей применения является использование этого биополимера для создания новых материалов, обладающих уникальным комплексом свойств. В настоящее время известно более 70 направлений использования хитина и хитозана в различных отраслях промышленности, и с каждым годом количество инновационных продуктов на основе хитозана и его производных в мире увеличивается. В косметической промышленности хитозан является биологически совместимым полимером, благоприятно воздействующим на кожу и структуру волос, входит в состав увлажняющих кремов, лосьонов, гелей и шампуней. Огромным потенциалом хитозан обладает в медицине - это шовные материалы, рано- и ожогозаживляющие повязки, компонент мазей и различных лечебных препаратов. Кроме того, высокие сорбционные свойства позволяют использовать хитозан при очистке воды. Перспективными направлениями использования хитозана является модификация текстильных материалов, получение высококачественных сортов бумаги и т.д.

Изготовление пленок и мембран из хитозана возможно только из растворов, т.к. получение расплава невозможно вследствие того, что температура плавления превышает температуру его деструкции. В связи с этим при получении мембран и пленок возникают определенные сложности, связанные с необходимостью длительного процесса сушки вследствие низкой скорости испарения растворителя, а получение концентрированных растворов не может быть реализовано в силу высокой вязкости получаемой системы даже при низких концентрациях хитозана. Традиционно для получения растворов хитозана используют 3% водный раствор уксусной кислоты. Основным недостатком использования этого растворителя является необходимость длительной сушки свежесформованных материалов. Кроме того, такой растворитель позволяет получить высоковязкие растворы с низкой концентрацией (5-6%) в них хитозана.

Актуальной задачей является разработка эффективных растворителей хитозана, характеризующихся высокой скоростью испарения и обеспечивающих требуемый комплекс характеристик пленок.

Объектами исследования явились хитозан порошкообразный (молекулярная масса 120 кДа, степень деацетилирования 90%), изопропиловый спирт (ГОСТ 9805-84), диметилформамид (ГОСТ 20289-74), мети-ленхорид (ГОСТ 9968-86), этилацетат (ГОСТ 8981-78).

Установлено, что при использовании в качестве растворителей диметилсульфоксида, мети-ленхлорида, изопропилового спирта и этилацетата при t=250C происходит набухание хитозана без его растворения (рис. 1).

го

X

>

ю

го

_0

X

<и

с

<и

н

о

1,6

1,4

1,2

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

2

3

4

30 40

Время, мин

Рис. 1. Кривые набухания хитозана в различных растворителях:

1 - метиленхлорид; 2 - этилацетат; 3 - изопропиловый спирт; 4 - диметилформамид

Степень набухания хитозана в метиленхлориде существенно выше, чем во всех исследованных растворителях, что, очевидно, связано с лучшей диффузией молекул метиленхлорида в хитозан вследствие меньших их размеров по сравнению с другими растворителями.

Растворения во всех перечисленных растворителях не происходит также при увеличении температуры растворителя до значений, близких к температурам их кипения.

Известно, что традиционно используемым растворителем хитозана является 3% водный раствор уксусной кислоты. При получении пленок хитозана одним из недостатков таких растворов является низкая скорость испарения растворителя. Установлено, что растворение хитозана можно осуществлять в спиртосодержащем растворе уксусной кислоты, что позволяет интенсифицировать процесс испарения растворителя из сформованных пленок (рис. 2).

Время, сут

Рис. 2. Кривые изменения массы сформованных пленок хитозана при использовании различных растворителей:

1 - 3 % раствор уксусной кислоты; 2 - 3 % раствор уксусной кислоты-этиловый спирт (1:1)

Установлено, что использование спиртосодержащего растворителя позволяет в 2 раза ускорить процесс формования пленок за счет более интенсивного испарения растворителя. Увеличение доли этилового спирта в растворителе более 50% нецелесообразно, поскольку приводит к снижению растворимости хитозана.

Полученные при использовании различных растворителей пленки хитозана исследовались методом ИК-спектроскопии (рис. 3).

На ИК-спектрах пленок хитозана, полученных при использовании различных растворителей, присутствуют полосы поглощения, характерные для полисахаридов, это полосы -ОН групп: V = 1430 см-1 и 5 = 1647 см-1, а также полоса гликозидной связи С-О-С - V = 1088 см-1. Кроме того, присутствуют слабые полосы поглощения при 883 и 796 см-1, которые можно отнести соответственно к деформационным колебаниям группы С1-Н в Р-сахарах и пульсационным колебаниям пиранозного

1

2

кольца в Р-сахарах. В спектрах также присутствуют полосы поглощения групп СН2 - 2923 и СН3 -2853 см-1, об этом свидетельствует также наличие полос, соответствующих деформационным колебаниям этих групп при 1462, 1381 и 1321 см-1. О наличии группы КИ2, которая накладывается на полосы -ОН групп, говорит присутствие в спектрах v=3438 и 5=1632 см-1. Также имеются полосы поглощения, характерные для остатков ацетильной группы: V (-С=О) =1742 и 1254 см-1. Полоса при 1150 см"1 принадлежит связи С-Ы.

Волновое число, см ’

Рис. 3. ИК-спектры пленок хитозана, полученных при использовании различных растворителей:

1 - 3 % раствор уксусной кислоты; 2 - 3 % раствор уксусной кислоты - этиловый спирт (1:1)

Таким образом, химический состав пленок хитозана, сформованных из уксуснокислого и спиртосодержащего растворов, практически одинаковый, однако наблюдается небольшой разброс характеристических полос по волновым числам и интенсивностям. Это явление может быть обусловлено структурно-молекулярной неоднородностью исследуемых объектов.

Таким образом, установлено, что использование ряда органических растворителей - изопропилового спирта, диметилформамида, метиленхорида, этилацетата для получения растворов хитозана невозможно. Интенсифицировать процесс получения пленок хитозана можно использованием спиртосодержащего растворителя, скорость испарения которого существенно выше, что позволяет в 2 раза сократить процесс получения хитозановой пленки.

Арзамасцев Олег Сергеевич -

аспирант кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Артеменко Серафима Ефимовна -

доктор технических наук, профессор кафедры «Химическая технология»

Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Oleg S. Arzamastsev -

Postgraduate

Department of Chemical Technologies Engels Institute of Technology - Branch of Gagarin Saratov State Technical University

Serafima E. Artemenko -

Dr. Sc., Professor

Department of Chemical Technologies Engels Institute of Technology - Branch of Gagarin Saratov State Technical University

Абдуллин Валерий Филарисович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Арзамасцев Сергей Владимирович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология» Энгельсского технологического института Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Valeriy F. Abdullin -

PhD, Associate Professor Department of Chemical Technologies Engels Institute of Technology - Branch of Gagarin Saratov State Technical University

Sergey V. Arzamastsev -

PhD, Associate Professor Department of Chemical Technologies Engels Institute of Technology - Branch of Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 05.11.11, принята к опубликованию 01.12.11