CC BY
8
ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 547.495
Е. А. Панкова, О. В. Фукина, Г. Р. Рахматуллина
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ МОДИФИКАЦИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Ключевые слова: натуральные высокомолекулярные материалы, плазмохимическая модификация, инфракрасная
спектроскопия.
Исследованы ИК спектры образцов желатиновых пленок, модифицированных ВЧ плазмой, с применением различных плазмообразующих газов. Обнаружено, что при обработке высокочастотной плазмой в среде аргона химическая структура материала не изменяется. В случае использования активных плазмообразующих газов (кислород, азот, пропан) наблюдается деликатная плазмохимическая модификация.
Keywords: natural macromolecular materials, plasma-chemical modification, infrared spectroscopy.
The studies were carried out on the example of a model compound, which was gelatin in the form of gelatin films, which were subjected to plasma-chemical treatment and then analyzed by IR spectroscopy. It has been found that the chemical structure of the material does not change when exposed to an argon plasma. In the case of processing of gelatin in the plasma environment of active gases (oxygen, nitrogen, propane) leads to its delicate plasma chemical modification.
Введение
Высокомолекулярные материалы легкой промышленности, такие как кожа и мех, широко используются населением, т.к. они обладают природными гигиеническими свойствами, позволяющими, изделиям из них фактически «дышать» при их эксплуатации. Основным сырьем для производства кожи и меха является шкуры животных, состоящие из кожного и волосяного покров, которые образованы в основном целым рядом белков - высокомолекулярными соединениями (ВМС) природного происхождения (коллаген, кератин, эластин, ретикулин). Однако несмотря на уникальные природные свойства натуральных материалов они имеют основной недостаток - это неравномерность свойств по различным топографическим участкам.Комплекс исследований, проведенных учеными КНИТУ показал перспективность электрофизических методов плазменной обработки материалов, позволяющих усреднить их свойства по всей площади.В данной работе проведены исследования изменения химического состава
высокомолекулярных материалов легкой промышленности природного происхождения на желатиновых моделях при варьировании видов плазмообразующего газа плазменной модификации.
Экспериментальная часть
В качестве плазмообразующих использовались следующие газы: аргон, азот, пропан, кислород. При модификации исследуемых материалов параметры плазменной установки имели следующие значения: мощность разряда1,4кВт, время обработки 5 мин;давление в рабочей камере 26,6 Па и расход плазмообразующего газа 0,04г/с[1]. Объектами
исследования являлись образцы желатиновых пленок.
Результаты и их обсуждение
Рассматриваемые натуральные
высокомолекулярные материалы (кожа и мех) имеют сложную многоуровневую структуру, поэтому для понимания процессов, происходящих при их плазмохимической модификации, исследования проводились на модельных соединениях. Рассматриваемые белки формируются из остатков аминокислот, поэтому в качестве моделей закономерно использование аминокислот, однако, аминокислоты не отражают взаимодействий физического характера, возникающих на различных уровнях белковых структур, представляющих особый интерес для исследования. В этой связи в качестве модели натуральных высокомолекулярных материалов использовался желатин, который представляет собой полидисперсную смесь низкомолекулярных полипептидов коллагена. Образцы желатиновых пленок подвергали плазменной модификации в среде различных плазмообразующих газов, после чего их анализировали с применением ИК-спектроскопии. В случае белков наиболее интересными являются несколько сравнительно сильных полос поглощения, которые, определяются как колебания пептидной группы -СОМЫИ-, описание данных областей спектра представлены в таблице 1.
В области поглощения 3600-2500см-1 также проявляются водородные связи, наличие которых приводит к сдвигу энергии пептидных колебаний, а также валентные колебания группы МЫИ2 и МИ, которые склонны к образованию меж- и внутримолекулярных водородных связей, что спо-
Таблица 1 - Характеристические частоты поглощения пептидной группы [1]
об отсутствии изменений химического состава под
воздействием аргоновой плазмы (рис. 1).
Область Наимено- Описание
поглощения вание полосы
1597-1672 см-1 «амид I» валентные колебания С=О связи
1480-1575 см-1 «амид II» плоскостные деформационные колебания МЫН связи
1229 - 1301 см-1 «амид III» характеризует взаимодействия внутри пептидной группы
625-767 см-1 «амид IV» плоскостные деформационные колебания связи о=с-ы
640 - 800 см-1 «амид V» деформационные колебания группьгЫН
537-606 см-1 «амид VI» деформационные колебания группы СО
200 см-1 «амид VII» крутильные колебания относительно связи С-Ы
3330 см-1 «амид А» валентные колебания группы МН
3100 см-1 «амид В» валентные колебания группы МН
собствует смещению полосы поглощения в низкочастотную область. Деформационные колебания МЫН2 группы проявляются в области 900650 см-1, где они наслаиваются на полосы поглощения амидных компонент (амидУ), смещенных в более высокочастотную область из-за наличия водородных связей. Помимо этого, на спектрах визуализируются пики в следующих диапазонах:
-1
- 2400-2300см , в данном диапазоне проявляются карбоксилат ионы, соли аминов, а также валентные колебания группы С=ММ все перечисленные группировки присутствуют в белковых структурах;
- 1000-1100см-1,1550 см-1указанные диапазоны характерны для поглощения карбоксильных и карбонильных составляющих [1].
Во всех анализируемых спектрах присутствуют пики, в описываемых областях, однако использование различных плазмообразующих газов меняет интенсивность полос поглощения. Первоначально рассматривались образцы желатиновых пленок, обработанные в среде инертного газа - аргона. Исследования образцов желатиновых пленок контрольного (не обработанного) и опытного (обработанного) показали, что при плазменной обработке в среде аргона ИК спектры идентичны, что свидетельствует
Рис. 1 - ИК спектры желатина контрольного образца и образца, обработанного высокочастотной плазмой пониженного давления (плазмообразующий газ - аргон)
Далее для обработки использовали активные плазмообразующие газы. На рисунках 2, 3, 4 представлены ИК спектры желатиновых пленок, обработанных в средах кислорода, азота и пропана.
При использовании кислорода [3] наблюдается
химическое взаимодействие активных групп белка с
плазмообразующим газом, что подтверждается
изменениями интенсивности пика в области 2300-1
2400 см (рис. 2). Подобное изменение интенсивности свидетельствует об увеличение количества карбоксилат ионов в материале, что в свою очередь инициирует реакции солеобразования между группами СОО- и МЫН3+. Подобные взаимодействия сопровождается уменьшением аминогрупп и подтверждаются уменьшением интенсивности пика характеризующего
аминнуюсоставляющую (800-900см ).
Рис. 2 - ИК спектры желатина контрольного и образца, обработанного высокочастотной плазмой пониженного давления
(плазмообразующий газ - кислород)
Обработка пленок желатина ВЧЕ плазмой пониженного давления с использованием плазмообразующего газа - азота способствует появлению амида, что подтверждается значительным увеличением пика в области 800 -900см-1, (рис. 3), кроме того, наблюдается уменьшение интенсивности и изменение характера пиков в областях 2300-2400 см-1, 1400см-1, 1500см-1 [1, 2]. Химические изменения такого характера объясняются появлением реакционноспособных
групп в результате частичной ионизации азота под воздействием электромагнитного поля, которые могут образовывать соединения типа МЫН3 и, в дальнейшем, взаимодействовать с карбоксилом вызывая образование первичного амида.
3500 ЗООС1 29D0 200CI ЮТ 100CI
ШЮЯШШ-i
Рис. 3 - ИК спектры желатина контрольного и образца, обработанного высокочастотной плазмой пониженного давления
(плазмообразующий газ - азот)
При использовании плазмообразующего газа -пропана (рис. 4), в спектрах обработанных образцов наблюдается увеличением пика в области 3000-2800см-1, характерного для метильной группы. Это объясняется взаимодействием белка с группировками типа СИ*, СН2*, СН3*, образованными в результате ряда процессов, воздействующих на плазмообразующий газ (пропан). Также, наблюдается снижение интенсивности пиков в областях, характерных для карбоксилатионов и аминосоставляющих, что также вызвано взаимодействием крайне активного радикала СН3* с функциональными группами СООН и ]МИ2 [1, 2].
контрольный
j^v, а образец
образец,
обработанный го аз мой в
среде пропана
3500 3000 2500 2000 1SG0 1000
Рис. 4 - ИК спектры желатина контрольного и образца, обработанного высокочастотной плазмой пониженного давления
(плазмообразующий газ - пропан)
Выводы
Проведенные исследования позволяют заключить, что при обработке высокочастотной плазмой в среде инертного газа - аргона химическая структура материала не изменяется. В случае использования активных плазмообразующих газов (кислород, азот, пропан) наблюдается плазмохимическая модификация.Полученные
результаты получили экспериментальное подтверждение при плазмохимической обработке образцов кожевенных и меховых материалов.
Литература
1. Е.А. Панкова, Дисс. д-ра техн .наук, ФГБОУ ВПО «КНИТУ», Казань, 2011. 310 с.
2. Е.А. Панкова, И.Ш.абдуллин, Д.А.дмитриева, А.Г.Белозеров Исследование воздействия ВЧ плазмы на химический состав коллаген и кератинсодержащих ВММ на примере модельных соединений, Вестник Казанского Технологического Университета, №23. 2012.С. 81-84.
3. Е.А. Панкова, Применение кислородосодержащей плазмы с целью повышения качественных характеристик натуральных волокнистых материалов/ Е.А. Панкова// Вестник Казанского технологического университета. - 2011. №5. - С. 12-15.
© E. А. Пакнова - д.т.н., профессор каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, pankovaja@mail.ru; О. В. Фукина-д.т.н., профессор кафедры товароведения и товарной экспертизы Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова, fov14@mail.ru; Г. Р. Рахматуллина - д.т.н., профессор каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, gulnaz-f@yandex.ru.
© E. A. Pankova - Doctor of Technical Sciences Professor - Department of Plasma-chulnazemical and high-molecular nanotechnology materials, KNRTU, pankovaja@mail.ru; O. V. Fokina - Doctor of Technical Sciences, Professor - Department of commodity science and commodity examination of the Russian economic University named after G. V. Plekhanov, fov14@mail.ru; G. R. Rakhmatullina- Doctor of Technical Sciences Professor - Department of Plasma-chulnazemical and high-molecular nanotechnology materials, KNRTU, gulnaz-f@yandex.ru.
