CC BY
23
.fflli
тшж щшш
УДК 615.211
ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ ПОЛИМЕРОВ В ИНСТИТУТЕ ХИМИЧЕСКИХ НАУК ИМ. А.Б. БЕКТУРОВА
Е.А, Бектуров
Институт химических наук им. А.Б. Бектурова МОН РК, г. Алматы
А.Б. Бектуров атындагы химия гылымдары институтында полимерлгрдщ фызикалыц химия саласында жург'Ылген теориялык жопе эксперименталдъщ зерттеулерте толу /çарастырылады.
Приведен обзор теоретических и экспериментальных исследований в области физической химии полимеров, проводимых в институте химических наук им. А,Б. Бектурова.
Description of theoretical and experimental study in the field of polymers physical chemistry conducted at the Institute of Chemistry named after A.B. Bekturov.
Работы по физической химии полимеров начаты в Институте химических наук им. А.Б. Бектурова в 1960 г. по инициативе академика АН КазССР С.Р. Рафикова в группе Е.А. Бектурова, впоследствии (1966 ^преобразованной в лабораторию физико-химии полимеров. Основное научное направление - исследование свойств водорастворимых и водонабухающих полимеров, сополимеров, полиэлектролитов и их комплексов с различными высокомолекулярными и низкомолекулярными соединениями в зависимости от различных факторов (строение полимеров, природа среды) с использованием современных физико-химических методов исследования. Это направление связано с важными теоретическими и практическими проблемами совместимости полимеров и комплексообразования макромолекул, что представляет большой интерес с точки зрения создания научных основ модификации полимерных материалов и моделирования поведения биологических макромолекул, получения макромолекулярных катализа-
№1, 2003 г.
39
торов и твердых полимерных электролитов для химических источников тока, а также для развития теории растворов полимеров, полиэлектролитов и гидрогелей.
Изучены растворы ряда низкомолекулярных полимеров и олигомеров методами вискозиметрии, фракционирования и эбулиоскопии. Установлено, что молекулярно-массовая зависимость для коротких цепей описывается экспонентой уравнения Марка-Хаувинка-Куна близкой к единице, что характерно для проницаемых клубков, а константа Хаггинса имеет аномально высокое значение.
Исследования разветвленное™ сверхвысокомолекулярных полиметил-метакрилатов методами градиентной вискозиметрии и светорассеяния и обработка экспериментальных данных с привлечением теории разветвлен-ности показали, что образцы полимеров с молекулярной массой выше миллиона в значительной степени являются разветвленными. Предложен простой вискозиметрический критерий разветвленное™.
Методами вискозиметрии и светорассеяния было исследовано явление совместимости разнородных полимеров в общем растворителе с использованием приема «невидимок». Предложены обобщенные уравнения вязкости растворов, содержащих два полимера. Показано, что значения среднего понижения вязкости, приведенные к одним значениям концентрации и молекулярной массы второго полимера, для разных тройных систем укладываются на одну кривую в зависимости от параметра совместимости. Это позволяет оценить совместимость разнородных макромолекул из простых вискозиметрических измерений, что важно при создании композиционных материалов.
Выполнен большой цикл работ по изучению гидродинамических свойств растворов дифильных полимеров и сополимеров в смешанных растворителях. Предложен новый вариант метода селективной вариации растворителя для систематического исследования внутреннего структурирования макромолекул. Установлен ряд закономерностей, описывающих влияние строения сополимеров и природы среды на термодинамическую гибкость макромолекул в системах с избирательным взаимодействием. Обобщение результатов привело к выводу о том, что сверхскручивание (поджатае) клубков может осуществляться различными типами селективных контактов (ионные, водородные связи, Ван-дер-Ваальсовые и гидрофобные взаимодействия). Степень скручивания макромолекул определяют различные факторы: строение полимера и свойства среды, частота и природа мостич-ных связей, стабилизирующих структуру макромолекул.
Впервые в мире обнаружено новое явление, которое вошло в научную литературу под названием «изоэлектрический эффект». Его суть заключается в том, что синтетические полиамфолиты кооперативно связывают различные низко- и высокомолекулярные соединения и кооперативно высвобождают их строго в изоэлектрическом состоянии. Существование такого эффекта позднее было подтверждено учеными США, Германии и России. Эффект, обнаруженный для синтетических аналогов биополимеров -полиамфолитов, значительно расширяет наши представления о полимерах биологического происхождения и служит предпосылкой для объяснения репликации нитей ДНК и кооперативного сворачивания белковых молекул, так называемого "protein folding". На основе «изоэлектрическо-го эффекта» разработан уникальный способ извлечения ионов благородных металлов из растворов, защищенный авторскими свидетельствами СССР.
Найден новый тип реакции, протекающий на границе раздела двух не-смешивающихся фаз и на его основе создан одностадийный способ получения мембран и пленок типа Лэнгмюра-Блодже. Способ защищен патентами РК. В перспективе такие мембраны могут быть использованы для разделения газов и жидкостей и в мембранном катализе.
Впервые детально исследованы и систематизированы интерполимерные реакции и комплексы, стабилизированных водородными связями, с участием макромолекул с нарушенной комплементарностью.
Разработаны эффективные и селективные полимерметаллические катализаторы, которые действуют по принципу металлоферментов, путем иммобилизации металлов VIII группы на полимерных матрицах.
Разработаны научные основы получения ион-проводящих полимерных электролитов в растворе и в твердой фазе, перспективных в качестве химических источников тока.
Проведено систематическое теоретическое и экспериментальное исследование процессов сорбционной иммобилизации ферментов на примере каталазы на различных ионных полимерных гидрогелях, наиболее полно отвечающих требованиям гомогенности в зависимости от различных факторов внешней среды. Показано, что они подчиняются общим закономерностям сорбции глобулярных белков гелевыми носителями с участием различных типов нековалентных сил, таких как электростатические, ион-ионные, ион-дипольные, гидрофобные взаимодействия, водородные связи, вклад которых в суммарную энергию связывания определяется свойствами белка и структурными особенностями полимерных гидрогелей.
№1, 2003 г.
41
Проведены широкие исследования неионных и полиэлектролитных гидрогелей. Показана аналогия в поведении линейных и редкосшитых полимеров. Для полиэтиленгликоля, поливинилпирролидона, поливинилпири-дина, полиакриловой кислоты получены совпадающие зависимости вязкости линейных и коэффициентов набухания сшитых полимеров в синер-гических и антагонистических смесях растворителей. Обнаружена аналогия в поведении интерполимерных комплексов линейных и сшитых макромолекул, стабилизированных водородными связями, в смесях воды с органическими растворителями.
Изучены интерполимерные комплексы полимерных гидрогелей, стабилизированных ионными или водородными связями. Обнаружено резкое падение набухания (коллапс) при комплексообразовании.
Исследовано также комплексообразование полимерных гидрогелей с ионами металлов, красителей, поверхностно-активных, лекарственных веществ.
Разработана теория набухания полиэлектролитных гидрогелей с применением кинетического подхода, причем гидрогель рассматривается как «газ узлов сшивки». Теоретические выводы хорошо согласуются с экспериментальными результатами для полиэлектролитных гидрогелей в растворах щелочных металлов.
Экспериментально и теоретически изучено поведение полиэлектролитных гидрогелей в скрещенных электрическом и магнитном полях, установлен нелинейный аналог закона Фарадея, позволяющий описывать влияние магнитного поля на характеристики неравновесной системы гидрогель-ра-створ. На основе полученных результатов дана интерпретация влияния магнитного поля на межклеточные взаимодействия на конкретном примере агломерации эритроцитарных суспензий. Показана возможность нетривиального использования гидрогелей в качестве электроаккумулирующих систем.
Обнаружено возникновение градиента рН в амфотерном гидрогеле при наложении электрического поля, что дает возможность их использования для разделения белков методом, подобным изоэлектрическому фокусированию.
Изучено структурирование в растворах ряда природных макромолекул (желатина, казеина, крахмала, агар-агара) и свойства образующихся студней-гидрогелей, что важно для технологии создания кормовых добавок и консервантов кормов для животноводства. Показано влияние различных добавок (соли, спирты, углеводы. ПАВ, наполнители) на процессы возникновения и развития пространственных структур и их прочность.
Создана широко известная научная школа; член-корреспондент HAH PK Е.А. Бектуров профессора, доктора химических наук Л. А. Бимендина, С. Е. Кудайбергенов, Т. К. Джумадилов, М. А. Асаубеков, А. С. Жолбол-сынова, А. К. Жармагамбетова, Г. А. Бектенова, И. Э. Сулейменов, внесшая существенный вклад в развитие физической химии полимеров.
Это научное направление успешно развивается в Казахстане, занимает передовые позиции среди стран СНГ и дальнего зарубежья в таких разделах, как интерполимерные комплексы, твердые полимерные электролиты, амфотерные полиэлектролиты, полимерные гидрогели.' В 1987 г, работы в области физической химии полимеров были удостоены Государственной премии Казахстана.
Проводимые исследования получили широкое признание в нашей стране и за рубежом. Результаты работ регулярно запрашиваются специалистами ближнего и дальнего зарубежья, цитируются в международных журналах и монографиях, а также стимулировали ряд работ в лабораториях других стран.
По результатам исследований в изданиях Казахстана, ближнего и дальнего зарубежья опубликовано более 650 работ, в том числе 11 изобретений, около 70 статей в международных журналах, около 50 - в журналах бывшего СССР.
Издано 23 монографий, 6 из них в России, Польше, Японии, ФРГ.
Опубликован ряд фундаментальных обзоров в журналах «Успехи химии», (СССР, 1991), «Обзоры в макромолекулярной химии и физике» (США, 1987,1990,1997,2003), «Макромолекулярная химия. Симпозиумы» (ФРГ, 1989, 1992), в книге «Организованные полимеры. Ионные полимеры. Биоматериалы» (США, 1989), «Энциклопедия полимерных материалов» (США, 1996).
