CC BY
9
УДК 544.35+539.21
Широких С.А., Хасанова Л.Х., Ракитин А.И., Загоскин П.С., Королёва М.Ю.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ РАЗМЕРА ПОР ВЫСОКОПОРИСТОГО ПОЛИМЕРА, ПОЛУЧЕННОГО НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ОБРАТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ NaCl
Широких Сергей Александрович, магистрант 1 года кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: serega-teo@mail. ru
Хасанова Ляйсан Ханифовна, магистрант 2 года кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Ракитин Андрей Игоревич, магистрант 1 года кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Загоскин Павел Станиславович, студент 1 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
Была исследована зависимость среднего диаметра пор высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола, полученного полимеризацией высококонцентрированных обратных эмульсий от концентрации NaCl в дисперсной фазе. Установлено, что при отсутствии NaCl средний диаметр капель эмульсии составлял 5,2 ± 0,3 мкм, средний диаметр пор - 22,7 ± 0,5 мкм. При увеличении концентрации NaCl в дисперсной фазе до 1 мас.% диаметр капель эмульсии уменьшался до 2,5 ± 0,3 мкм, а диаметр пор - до 8,3 ± 0,5 мкм. Это обусловлено снижением скорости оствальдова созревания капель эмульсии до окончания процесса полимеризации.
Ключевые слова: высококонцентрированная обратная эмульсия, пористый полимер, высокопористый сополимер стирола и дивинилбензола, оствальдово созревание
THE EFFECT OF STABILIZER ON PORE SIZES IN HIGHLY POROUS POLY(STYRENE-C0-DIVINYLBENZENE)
Shirokikh S.A., Khasanova L.Kh., Rakitin A.I., Zagoskin P.S., Koroleva M.Y. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Highly porous poly(styrene-co-divinylbenzene) was obtained by polymerization of highly internal phase W/O emulsions. The dependence of the average pore diameter on the concentration of NaCl in the aqueous phase was investigated. In the absence of NaCl, the average droplet diameter was 5.2 ± 0.3 jum, the average pore diameter was 22.7 ± 0.5 [im. As the concentration of NaCl in the dispersed phase increased to 1% by weight, the diameter of the emulsion droplets decreased to 2.5 ± 0.3 um, and the pore diameter - to 8.3 ± 0.5 [im. The reason for droplet and pore decreasing is the retardation the rate of Ostwald ripening of emulsion droplets until the completion of the polymerization process.
Keywords: highly internal phase W/O emulsion, porous polymer, highly porous poly(styrene-co-divinylbenzene), Ostwald ripening
В настоящее время существуют разнообразные способы получения высокопористых полимерных материалов, применимых для хроматографии, экстракции, сорбции органических жидкостей [1].
Среди других можно выделить метод получения таких материалов, основанный на полимеризации высококонцентрированных обратных эмульсий [2]. В обратных эмульсиях могут протекать процессы оствальдова созревания и коалесценции, которые приводят к увеличению размеров капель эмульсии. Укрупнение капель эмульсии приводит к увеличению размера пор в пористом полимерном материале [3, 4]. Для снижения скорости оствальдова созревания обратных эмульсий следует увеличить осмотическое давление в каплях дисперсной фазы, добавляя электролиты в водную фазу эмульсий [5].
В данной работе проведено исследование влияния концентрации №0 на размер пор высокопористого полимерного материала. Предметом исследования стали образцы
высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола, полученные полимеризацией обратных высококонцентрированных эмульсий.
Дисперсионная среда эмульсии составляла 5% от общего объема эмульсии и состояла из смеси сомономеров стирола и дивинилбензола в объемном соотношении 9:1. В качестве стабилизатора обратной эмульсии использовалось поверхностно-активное вещество сорбитанмоноолеат (Span 80) в количестве 0,5 % от общего объема эмульсии. Для проведения процесса радикальной полимеризации использовался инициатор пероксид бензоила, растворимый в смеси сомономеров. Концентрация пероксида бензоила составляла 3% от массы мономеров. В качестве дисперсной фазы использовали бидистиллированную воду или растворы хлорида натрия с концентрацией до 1 мас.%.
Высококонцентрированные обратные эмульсии получали методом высокоэнергетического диспергирования. Добавление водной фазы в смесь
стирола, дивинилбензола, Span 80 и пероксида бензоила производилось перистальтическим насосом со скоростью 3 мл/мин. Полимеризацию эмульсий и последующую термическую сушку высокопористого полимера проводили при температуре 65°С.
Исходные эмульсии исследовались методом оптической микроскопии с использованием микроскопа Axiostar plus (Carl Zeiss, Германия).
На рисунке 1 представлены микрофотографии эмульсий без добавления хлорида натрия и с концентрацией NaCl 0,5 мас.%. На основе микрофотографий были построены зависимости распределения капель по размерам, и определялся средний диаметр капель в эмульсии.
Рис. 1. Микрофотографии обратных эмульсий и зависимости распределения капель по размерам в эмульсиях с концентрацией ^О: 0 (а) и 0,5 мас.% (б)
Зависимость среднего диаметра капель дисперсной фазы в эмульсиях от концентрации КаС1 приведена на рисунке 2.
т-1 I-1-1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Концентрация ЛтаС1, мас.%
Рис. 2. Зависимость среднего диаметра капель высококонцентрированной обратной эмульсии от концентрации №С1
Из приведённой зависимости видно, что средний размер капель высококонцентрированной обратной эмульсии уменьшался от 5,2 ± 0,3 мкм до 2,5 ± 0,3 мкм с увеличением концентрации хлорида натрия от 0 до 1 мас.%.
Структура высокопористых полимерных материалов была исследована методом сканирующей электронной микроскопии с напылением платинового проводящего слоя и использованием электронного микроскопа JSM-6510LV, JOEL.
На рисунке 3 представлены микрофотографии высокопористых образцов, по которым были построены зависимости распределения пор по размерам и определены средние диаметры пор.
Рис. 3. Микрофотографии высокопористого полимерного
материала, полученные методом сканирующей электронной микроскопии, и зависимости распределения
пор по размерам в образцах, полученных при полимеризации обратных эмульсий концентрацией ^О: 0 (а) и 0,5 мас.% (б)
Зависимость среднего концентрации NaCl в представлена на рисунке 4.
25 и
диаметра исходной
пор от эмульсии
0 0.2 0,4 0,6 0,8 1,0 Концентрация N80, мас.%
Рис. 4. Зависимость среднего диаметра пор высокопористого полимерного материала от концентрации №С1
Средний диаметр пор высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола уменьшался от 22,7 ± 0,5 мкм до 8,3 ± 0,5 мкм с увеличением концентрации хлорида натрия от 0 до 1 мас.%. Это связано с уменьшением скорости оствальдова созревания в эмульсиях до полимеризации за счет создания осмотического давления в каплях дисперсной фазы. При этом размер пор в
полимерном материале был выше, чем размер капель в исходной эмульсии, что обусловлено протеканием процесса коалесценции капель в эмульсии до окончания процесса полимеризации.
Таким способом можно изменять размер пор высокопористого полимера при сохранении пористости 95 об.% в зависимости от области и условий последующего применения.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания контракт № 10.4650.201716.1. При выполнении части данной работы было использовано оборудование ЦКП РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Список литературы
1. Щербаков В. А., Хасанова Л. Х., Салатова Ю. А., Королёва М. Ю. // Успехи в химии и химической технологии. — 2016. - Т. 30, № 12. - С. 40-42.
2. Чекрыгина М. Ю., Королёва М. Ю. Получение пористого полистирола на основе высококонцентрированных обратных эмульсий // Успехи в химии и химической технологии. — 2013.
— Т. 27, № 6 (146). — С. 128-131.
3. Щербаков В.А., Хасанова Л.Х., Ракитин А.И., Широких С.А., Королёва М.Ю., Юртов Е.В. // Труды Кольского научного центра РАН. — 2017. — № 5-1 (8). — С. 229-233.
4. Щербаков В.А., Хасанова Л.Х., Широких С.А., Ракитин А.И., Анисимова Е.Д., Корчагина М.Г., Королёва М.Ю. // Успехи в химии и химической технологии. — 2017. — Т. 31, № 13 (194). — С. 2628.
5. Королёва М.Ю., Юртов Е.В. Влияние ионной силы дисперсной фазы на оствальдово созревание в обратных эмульсиях // Коллоидный журнал. — 2003.
— Т. 65, № 1. — С. 47-50.
