CC BY
143
ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО ГИДРОГЕЛЯ, СИНТЕЗИРОВАННОГО НА ОСНОВЕ КРАХМАЛА, АКРИЛАМИДА И БЕНТОНИТА
Холназаров Баходир Азамович
ст. науч. сотр.-исслед., Термезский государственный университет,
Республика Узбекистан, г. Термез E-mail: [email protected]
Тураев Хайит Худайназарович
д-р хим. наук, проф., Термезский государственный университет,
Республика Узбекистан, г. Термез E-mail: [email protected]
Ширинов Шавкат Давлатович
д-р филос. (PhD), ст. науч. сотр. Ташкентского научно-исследовательского института химической технологии, Республика Узбекистан, Ташкентская обл., Зангиотинскийр-н, п/о Ибрат
Джалилов Абдулахат Турапович
акад. АНРУз, проф., д-р хим. наук, директор Ташкентского научно- исследовательского института химической технологии, Республика Узбекистан, Ташкентская обл., Зангиотинский р-н, п/о Ибрат
E-mail: [email protected]
STUDY OF A NEW HYDROGEL, SYNTHESIZED ON BASIS OF STARCH, ACRYLAMIDE AND BENTONITE
Bakhodir Kholnazarov
Senior researcher, Termez State University, Republic of Uzbekistan, Termez
Hayit Turaev
Doctor of Chemical Sciences, Professor, Termez State University,
Republic of Uzbekistan, Termez
Shavkat Shirinov
Doctor of Philosophy (PhD), Senior Researcher at the Tashkent Scientific and Research Institute of Chemical Technology,
Republic of Uzbekistan, Tashkent Region, Zangiota district, Ibrat p.
Abdulahat Jalilov
Professor, Doctor of Chemical Sciences, Director of the State Unitary Enterprise of the Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology,
Republic of Uzbekistan, Tashkent Region, Zangiotinsky District, Ibraht
АННОТАЦИЯ
В этой статье исследуется синтез высоконабухающего гидрогеля на основе крахмала, акриламида и бентонита. Исследовано влияние оптимальных условий синтеза гидрогеля и влияние основных веществ на набухание гидрогеля. Продукт реакции сополимеризации охарактеризован методом ИК-спектроскопии. Морфология синтезированного гидрогеля была идентифицирована сканирующей электронной микроскопией (СЭМ).
ABSTRACT
This article explores the highly efficient synthesis of starch/acrylamide/bentonite based hydrogel. The influence of the optimal conditions for the synthesis of hydrogel and the effect of basic substances on the swelling of the hydrogel was studied. The product of the copolymerization reaction was characterized by IR spectroscopy. The morphology of the synthesized hydrogel was identified by scanning electron microscopy (SEM).
Библиографическое описание: Исследование нового гидрогеля, синтезированного на основе крахмала, акриламида и бентонита // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. Холназаров Б.А. [и др.]. 2019. № 4(61). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/7136
Ключевые слова: крахмал, акриламид, гидрогель, связующий реагент, бентонит, инициатор, раствор сопо-лимеризации, реакция омыления.
Keywords: starch, acrylamide, hydrogel, crosslinking, bentonite, initiator, polymerization of solution, saponification reaction.
ВВЕДЕНИЕ
Гидрофильные полимеры с большими объемами поглощения и хранения воды известны как гидрогель, или суперабсорбенты [3]. Гидрогель является трехмерно сшитым и набухшим полимером в воде, и он не растворяется в нем. Влагоудерживающая способность гидрогелей обусловлена наличием гидрофильных групп вдоль полимерной цепи, таких как OH, -га]Ж, -ТО]Ж2, -СООН [2]. Биоразнообразие гидрогелей имеет важное значение. Многие природные материалы поглощают воду, но их способность набухания и удерживать влагу слабее, чем у синтетических гидрогелей. Однако гидрогели на основе синтетических материалов вызывают экологические проблемы. Поэтому исследования по производству новых продуктов на основе модификации возобновляемых биоматериалов ускоряются. Исследования основаны на сополимеризации природных полимеров, таких как крахмал, целлюлоза, и имеют огромные перспективы [5]. Крахмал можно легко получить из различных природных источников, таких как картофель, кукуруза, пшеница. Сополимеризацией крахмала с виниловыми мономерами можно получить гидрогели высокого набухания. Например, было обнаружено, что на основе крахмала и акриламида с
различными инициаторами и связующими агентами были получены потенциально эффективные и высо-конабухаемые гидрогели [1]. Можно производить биологически разлагаемый, нетоксичный, дешевый гидрогель на основе крахмала. Гидрогели на основе акриламида широко используются в медицине, сельском хозяйстве, и других отраслях промышленности. Полиакриламид (ПАА) прореагируется крахмалом по схеме свободнорадикальной полимеризации. В процессе гидролиза в основных условиях амидная группа превращается в гидрофильную карбоновую группу [6]. Использование бентонита в гидрогеле на основе крахмала и сополимера акриламида увеличивает теплостойкость гидрогеля, повышает устойчивость к тепловым и механическим воздействиям, а также снижает стоимость гидрогеля.
Объекты и методы исследования
В эксперименте использован кукурузный крахмал производства «Golden Corn» Ташкентского крах-малопаточного завода, акриламид (АА), сшивающий агент (СА)-Ы,№-метиленбисакриламид (N^'-МБА, BDH Chemical Ltd, Англия) марки «ч», калий персульфат (КПС), метабисульфит натрия (инициатор) и бентонитовая глина марки «Навбахор» (Узбекистан), состав которой приведен в таблице 1.
Таблица 1.
Химический состав бентонита «Навбахор»
НАИМЕНОВАНИЕ SIO2 TIO2 AL2O3 FE2O3 MGO CAO NA2O K2O P2O5 SO3 FEO ПП
ЩЕЛОЧНАЯ БЕНТОНИТОВАЯ ГЛИНА 57,91 0,35 13,69 5,10 1,84 0,48 1,53 1,75 0,43 0,75 - 16,71
ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНАЯ ГЛИНА 56,23 0,61 13,56 6,50 3,76 0,69 0,98 2,20 0,92 0,49 - 14,06
Основываясь на сополимеризации крахмала, АА и бентонита, синтез высоконабухаемого гидрогеля осуществляли в водной среде. В качестве связующего использовали ^^метиленбисакриламид. Персульфат калия и метабисульфит натрия использовали в качестве инициатора сополимеризации, а бентонит - для повышения термической и механической стойкости гидрогеля. Для синтеза крахмального гидрогеля растворяли 10 г крахмала в 100 мл воды при 90°С в течение 30 мин в азотной атмосфере. Затем к водному раствору добавляли акриламид, метиленби-сакриламид, персульфат калия, метабисульфит натрия и бентонит. Смесь сильно перемешивали при комнатной температуре. Температуру реакции постепенно повышали до 70°С. Реакцию проводили при 70°С в течение 150 минут. По завершении процесса сополимеризации продукт гидролизовали в течение 2 часов при 95°С в 1 М растворе гидроксида натрия.
Затем продукт несколько раз нейтрализовали в водной колонне с помощью промывки и высушивали до постоянного веса в вакуумной сушильной печи и экстрагировали гидрогелем. Продукт был помещен в специальные целлофановые пакеты для предотвращения попадания пыли и влаги.
Результаты и их обсуждение
Массовое соотношение между АА и крахмалом, а также массы БГ, КПС, MBA, которые участвуют в реакции, оказывают заметное влияние на набухае-мость гидрогелей. Реакцию AA и крахмала проводили в следующих соотношениях: 1:1, 2:1 и 3:1. Были использованы: бентонит - от 1 до 4%, КПС - от 0,5 до 2%, метабисульфит натрия - от 0,2 до 1%, МБА -от 0,2 до 1% от общей массы мономера. Результаты исследования показывают, что набухаемость гидрогеля очень высока, когда соотношение AA и крах-
мала в растворе составляет 2:1. Сканирующая электронная микроскопия бентонита и полученного гидрогеля приведена на рис. 1 и 2.
На рисунке видно, что бентонит равномерно распределен в полимерной композиции.
Рисунок 1: СЭМ-микрофотография бентонита
Рисунок 2: СЭМ-микрофотография гидрогеля
Реакция привитой сополимеризации AA, бентонита и крахмала была охарактеризована с помощью ИК-спектроскопии.
ИК-спектры кукурузного крахмала, акриламида, бентонита и полученного гранулированного высоко-набухающего гидрогеля регистрировали на Perkin Elmer SpectrumOne FTIR, используя KBr. ИК-спектр высоконабухающего гидрогеля показывает полосы поглощения, соответствующие функциональным группам, присоединенным к мономерным единицам.
Инфракрасные спектры акриламида, бентонита, крахмала и полученного гидрогеля на их основе показаны на рисунках 3, 4, 5, 6. Согласно ИК-спектрам
пик полученного продукта, наблюдаемый при 3200 см-1, относится к растяжению акриламидного звена СО-МИ, 1674 см-1 относится к растяжению C=O в звене акриламида в суперабсорбенте. Пик поглощения, относящийся к ОИ-бентонитовой группе изменился после реакции с 3600 на 3400-3200 см-1. Пик поглощения при 599 см-1, относящийся к крахмалу, стал измененным, что указывает на то, что ОИ-группа на крахмале изменилась во время реакции.
№ 4 (61)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
• 7universum.com
апрель, 2019 г.
Пики поглощения при 3200, 1660 и 1648 см-1, относящиеся к группе -СОМН2 по акриламиду, также изменяются во время реакции, и появляется новый пик при 1403 см-1, относящийся к группе -СО2. Вышеуказанные результаты показали, что характерный пик поглощения для ОН-групп на бентоните и крахмале и группе -СОМН2 изменился после реакции сополи-меризации. Это может быть связано с тем, что произошла реакция между бентонитом, крахмалом и ак-риламидом, приводящая к образованию пространственной структуры.
Здесь т1 и т2 - вес гидрогеля в сухом и набухшем состоянии. Когда количество бентонита в растворе составляет 3%, градиент поглощения воды гидрогеля составляет 805 граммов. Когда содержание бентонита превышает 3%, это снижает способность композита поглощать воду.
В ходе исследования был получен высоконабуха-ющий гидрогель9 на основе сополимеров ПАА/крахмал/бентонит. Увеличение количества бентонита привело к повышению термической и механической стойкости и снижению стоимости. Продукт,
Заключение
Степень водопоглощения
Способность поглощения воды гидрогелей изучали в дистиллированной воде при комнатной температуре. Гидрогель был взят из воды после того, как он набух. Способность поглощения воды гидрогеля
ПАА/крахмал/бентонит, был охарактеризован с помощью ИК-спектроскопии и электронной сканирующей микроскопии (СЭМ).
полученный
сополимеризацией
(QH2O) определялась по уравнению: QH2O = (m2-mi)/mi
(1)
Список литературы:
1. Привитая сополимеризация акриламида к крахмалу, инициированная редокс-системой Ce+3-Ce+4. Ч. 1. Синтез привитых сополимеров к крахмалу // Starke. - 1993. - № 1 (38). - С. 8-13.
2. Enas M.A. Hydrogel: Preparation, characterization, and applications: A review. Journal of Advanced Research. 2015. No 6. P. 105-121.
3. Fatemeh Soleimani & Mohammad Sadeghi, Synthesis of pH-Sensitive Hydrogel Based on Starch-Polyacrylate Superabsorbent. Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology. 2012. No. 3. Р. 310-314.
4. Lanthong P., Nuisin R., Kiatkamjornwong S. Graft copolymerization, characterization, and degradation of cassava starch-g-acrylamide/itaconic acid superabsorbents. Carbohydr. Polym. 2006. No. 66. Р. 229-245.
5. Witonoa J.R., Noordergraafb I.W., Heeresb H.J., Janssenb L.P.B.M. Graft copolymerization of acrylic acid to cassava starch - Evaluation of the influences of process parameters by an experimental design method. Carbohydrate Polymers. 2012. No. 90. P. 1522-1529.
6. Zavan B., Cortivo R. and Abatangelo G. Hydrogels and Tissue Engineering. Springer-Verlag. Italia, 2009.
7. Zhang S.D., Wang X.L., Zhang Y.R., Yang K.K., Wang Y.Z. Preparation of a new dialdehyde starch derivative and investigation of its thermoplastic properties. J. Polym. Res. 2010. No. 17. P. 439-446.
