CC BY
53
СибАК
www.sibac.info
Технические науки — от теории к практике ___________________________№ 9 (45). 2015 г.
СЕКЦИЯ 4.
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
ИЗУЧЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ РАСТВОРОВ ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИХ ПОЛИМЕРОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫМ ВЕЩЕСТВОМ
Куринова Мария Алексеевна
аспирант 2 курса, кафедра ТХВиН МГУДТ,
РФ, г. Москва E-mail: [email protected]
Гальбрайх Леонид Семенович
проф., д-р хим. наук, зав. каф ТХВиН МГУДТ,
РФ, г. Москва
Скибина Дарья Эдуардовна
магистрант 2 курса, кафедра ТХВиН МГУДТ,
РФ, г. Москва
52
((Г СибАК
iexmmecKue науки— от теории к практике
№ 9 (45). 2015г.________________________________________www.sibac.info
STUDY OF RHEOLOGICAL CHARACTERISTICS AND SOLUTIONS MOLDING PROCESS OF FIBER-FORMING POLYMER MODIFIED BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES
Maria Kurinova
aspirant 2 grade, department of TXViNMGUDT,
Russia, Moscow
Leonid Galbraich
professor, head of department TXViN, MGUDT,
Russia, Moscow
Daria Scibina
magistr 2 grade, department of TXViN MGUDT,
Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
Исследованы реологические характеристики растворов триацетата целлюлозы (ТАЦ), содержащих биологически активное вещество (БАВ). Показано, что введение раствора БАВ в этиловом спирте снижает вязкость исходного раствора. Определены оптимальные составы формовочных растворов ТАЦ с БАВ для процесса электроформования.
ABSTRACT
The rheological characteristics of the solutions of cellulose triacetate (TAC), which contain a biologically active substance (BAS). It demonstrated that the introduction of the solution of biologically active substances in ethyl alcohol reduces the viscosity of the original solution. The optimum compositions forming solutions from TAC BAS electrospinning process.
Ключевые слова: триацетат целлюлозы; биологически активное вещество; пленочные материалы; реология; электроформование; нановолокнистые материалы.
Keywords: cellulose triacetate; biologically active substance; polymer membranes; rheology; electrospinning; nanofibers material.
К волокнистым и пленочным материалам медико-биологического назначения предъявляется ряд требований, реализация которых требует проведения серьезных научных исследований [1; 2]. Значительное внимание в этой области привлекают природные биодегради-
53
Технические науки — от теории к практике __________________№ 9 (45). 2015 г.
руемые и биосовместимые полимеры. Их применение позволяет получить путём формования из растворов волокнистые и пленочные материалы, в том числе содержащие биологически активные вещества. БАВ, применяемые для модифицирования химических волокон, представлены соединениями, относящимися к самым различным классам. Многочисленные публикации показывают, что исследуемый в настоящей работе БАВ — растительный стероид (пентациклическое тритерпеновое вещество лупанового ряда), обладает противовоспалительным, антиоксидантным, противовирусным, противомикотическим, антисептическим и противоопухолевым действием [1; 3; 4].
Экспериментальная часть
Поскольку вязкость растворов полимеров определяется природой полимера, размерами и формой макромолекулы, термодинамическим качеством растворителя, необходимо было определить влияние состава формовочных растворов на изменение их реологических характеристик.
С этой целью были исследованы концентрационные зависимости вязкости растворов ТАЦ в уксусной кислоте, а также их смесей с БАВ.
€■
, СибАК
www.sibac.info
lgh, Па*с
Рисунок 1. Кривые течения растворов ТАЦ в уксусной кислоте. Концентрация полимера 0,5 (1), 1 (2), 1,5 (3), 2 (4), 3 (5), 4 (6), 5 (7), и 6 % (8) Температура 25±0,1 С
54
Технические науки — от теории к практике № 9 (45). 2015 г________________________
www.sibacinfo
lgh, Па*с
Рисунок 2. Реологические кривые растворов ТАЦ и его смесей с БАВ. 1 — раствор ТАЦ; 2, 3 — растворы ТАЦ, содержащие БАВ.
Содержание в растворе: 1 — 3 % ТАЦ, 2 — 3% ТАЦ, 0,3 % БАВ,
3 — 3 % ТАЦ, 0,75 % БАВ
Введение раствора БАВ в этиловом спирте в раствор ТАЦ в УК приводит к снижению вязкости и степени структурированности растворов и уменьшает выраженную зависимость вязкости от градиента скорости сдвига.
Учитывая поставленную в работе цель, представляло интерес исследовать возможность формования пленочных мембран из растворов ТАЦ и его смесей с БАВом. Формование пленок проводили «сухим» способом путем испарения растворителя из тонкого слоя 3 %-ного раствора ТАЦ, содержащего 0,75 % БАВ.
При исследовании методом атомно-силовой микроскопии структуры, формирующейся при испарении растворителя с поверхности раствора, была установлена зависимость структуры поверхности пленок от состава раствора: увеличение содержания БАВ приводит к формированию более крупных элементов структуры (рисунок 4).
К многотоннажным полимерам, перерабатываемым в текстильные волокна и волокнистые материалы формованием из растворов,
55
СибАК
www.sibac.info
Технические науки — от теории к практике ___________________________№ 9 (45), 2015 г
в том числе и методом электроформования, относятся сополимеры акрилонитрила различного состава.
Рисунок 3. Зависимость структуры поверхности пленок от состава раствора
Т ак как в процессе ЭФ используются менее вязкие формовочные растворы, чем в классических процессах формования из растворов полимеров, это обусловило выбор варьирования концентрации полиакрилонитрила в апротонном растворителе — диметисульфоксиде (ДМСО) в диапазоне 1—6 %.
Рисунок 4. Реологические кривые растворов ПАН в ДМСО Концентрация полимера: 6 % (1), 5 % (2), 4 % (3), 3 % (4), 2 % (5), 1 % (6); Темп-ра: 25± 10С
56
Технические науки — от теории к практике № 9 (45). 2015 г________________________
www.sibacinfo
h, Па*с
Рисунок 5. Концентрационная зависимость начальной вязкости растворов ПАН в ДМСО
Согласно данным, полученным при определении концентрации кроссовера, наиболее благоприятная для формования концентрация находится на уровне 4 %, что справедливо для коагуляционного формования, но может отличаться от условий, обеспечивающих стабильное электроформование.
На основании рассмотрения информации об электроформовании волокон из целлюлозы и ее ацетатов авторы обзорной статьи [6] делают вывод о целесообразности применения этого метода для получения субмикроволокнистых материалов.
При предварительной оценке возможности формования нановолокнистого материала на установке Nanospider NS Lab 200S было показано, что растворы ТАЦ в УК не обладают волокнообразующими свойствами в условиях электроформования. В то же время, при формовании растворов ТАЦ, содержащих 0,3—0,75 % БАВ, напряжение 26,6—32,6 кВ обеспечивало устойчивое струеобразование и последующее отверждение образующихся нитей диаметром 70—350 нм (рисунок 7).
57
www.sibac.info
Технические науки — от теории к практике ___________________________№ 9 (45). 2015 г.
О 2 4 6 8 10 12 14
ijm
Рисунок 7. Микрофотография нановолокнистого триацетатцеллюлозного материала, содержащего 0,75 % БАВ
Электроформование позволяет получить не только БАВ-содержащие ацетилцеллюлозные волокна. Устойчивое электроформование с образованием нановолокнистых материалов имеет место при исполь -зовании композиций на основе карбоцепных полимеров, содержащих БАВ, — раствора ПАН в ДМСО с содержанием БАВ 0,5 %.
Микрофотографии распределения волокон из растворов в ПАН приведены на рисунках 8, 9.
Рисунок 8. Микрофотография ПАН волокна, содержащего 0,5 %
БАВ
58
Технические науки — от теории к практике № 9 (45). 2015 г________________________
www.sibacinfo
О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 ут
Рисунок 9. Микрофотография волокон из ПАН, содержащего 5 %
БАВ
Параметры процесса электроформования приведены в таблице 2
Таблица 2.
Параметры процесса ЭФ растворов, содержащих БАВ
№ Волокнообразующий полимер Содержание БАВ, % Напряжение, кВ Расстояние между формовочными электродами, мм
1 ТАЦ 0,3 26,6—32.6 110
2 ТАЦ 0,75 26,6 110
3 ПАН 0,5 22,4—32,6 120
4 ПАН 5 18,6 120
5 ПВС 0,5 21,4—29,8 120
6 ПВС 5 24,5 118
Список литературы:
1. Афиногенов Г.Е., Панарин Е.Ф. Антимикробные полимеры. — СПб.: Гиппократ, 1993. — 261 с.
2. Коршак В.В., Штильман М.И. Полимеры в процессах иммобилизации и модификации природных соединений. — М.: Наука, 1984. — 261 с.
3. Марычев С.Н., Калинин Б.А. Полимеры в медицине. Учеб. Пособие. — Владимир: Владимир. гос. ун-т., 2001. — 68 с.
4. Платэ Н.А., Васильев А.Е. Физиологически активные полимеры. — М.: Химия, 1986. — 296 с.
5. Штильман МИ. Полимеры медико-биологического назначения. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. — 400 с.
6. Margaret W. Electrospinning Cellulose and Cellulose Derivatives// Polymer Rewiews. — 2008. — V. 48. — Issue 2. — P. 378—391.
59
