CC BY
47
2016, том 18 [12]
УДК 544:544.7:544.77
МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ ВОДА — КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА ПО ДАННЫМ ВИСКОЗИМЕТРИИ
Е.Ю. Шачнева
ФГБОУ ВО «Астраханский государственный университет» Астрахань, Россия
Аннотация. Измерена величина динамической вязкости в системе вода — карбоксиметилцеллюлоза при стандартных условиях. Определены величины динамической вязкости, степени набухания при различных типах растворителей. Описана основная методика расчета рассматриваемого параметра.
Ключевые слова: вискозиметрия, молекулярная структура, карбоксиметилцеллюлоза, растворитель, степень набухания, кинетика набухания.
Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) широко применяется в различных отраслях промышленности как заменитель пищевых продуктов и природных веществ, таких как декстрины, агар-агар, крахмал, растительное масло. Целлюлозогликоле-вая кислота и ее производные достаточно активно применяются в косметических и моющих средствах (зубная паста, декоративная косметика) [1; 3]. Кроме того, вещество активно применяется в качестве пищевой добавки Е466 при промышленном приготовлении мороженого, майонеза, желе, десертов и других кондитерских изделиях. В качестве добавки компонент не приводит к проявлению аллергических реакций, повреждению и раздражению кожных покровов. Добавка не имеет подтвержденного разрешения на применение при производстве детского питания. Тем не менее следует обратить внимание, что данное вещество имеет большое значение ПДК, так согласно гигиенических нормативов оно составляет 5 мг/л. Это говорит об актуальности проводимых исследований.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Реагенты и аппаратура. Модельные растворы, приготовленные на дистиллированной воде
с использованием химически чистых реактивов КМЦ; хлорида калия (KCl), х.ч.; фотоколориметр ПЭ-5400в; капиллярный вискозиметр; оборудование лабораторное — нагреватели, встряхивате-ли, посуда мерная и керамическая.
Способ приготовления раствора высокомолекулярного соединения. Приготавливали 1,0%-ные растворы высокомолекулярного соединения (ВМС) с характерной величиной ионной силы растворов. Для этого навеску сухого вещества помещали в стаканчик с 75 см3 дистиллированной воды при условии постоянного перемешивания на магнитной мешалке и нагревании раствора при 50 °С. После добавления всей порции флокулянта продолжали интенсивное перемешивание порядка 1,5 часов до полного исчезновения комочков вещества в растворе. Полученное вещество переносили в колбу объемом 500 см3 и доводили дистиллированной водой объем до метки. Через сутки полученный раствор вещества пригоден для использования. Они способны не изменять свои свойства (вязкость, прозрачность) в течение пяти суток [2].
Развитие представлений о растворах производных целлюлозы, таких как КМЦ, в различных
~ 50 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
Since 1999 e-ISSN 2226-7417
Шачнева Е.Ю. Молекулярная структура системы вода — карбоксиметилцеллюлоза...
----■—
типах растворителем основываются на том, что эти вещества образуют истинные растворы, в которых макромолекулы являются кинетически свободными. Концентрированные растворы КМЦ являются неньютоновскими жидкостями. КМЦ способна формировать вязкий коллоидный раствор, длительное время не утрачивающий своих свойств.
Определение степени набухания. Взаимодействие полимеров с растворителем обычно начинается с набухания. Набухание — это увеличение объема и веса высокомолекулярного вещества (ВМС) за счет поглощения низкомолекулярной жидкости (НМЖ) или ее паров [3—5]. Причиной набухания служит различие свойств двух компонентов — ВМС и НМЖ, молекулы которых различаются по своим размерам в тысячи раз, а, следовательно, и по подвижности. В результате этого процессу растворения полимера всегда предшествует его набухание. Процесс набухания — это процесс одностороннего смешения, обусловленный большими размерами молекул ВМС. Набухание связано с изменением структуры полимера, что приводит к значительному увеличению объема и массы образца. При этом не происходит разрыва химических связей вдоль цепи, а нарушаются более слабые межмолекулярные связи. Способность полимера набухать в тех или иных растворителях характеризуется степенью набухания а, равной количеству растворителя в граммах, которое поглощает 1 г полимера при данной температуре:
а = ~ Щ -100%, (1)
то
где а — степень набухания; т0 — масса полимера до набухания; тп — масса полимера после набухания.
За результат анализа принимают среднее арифметическое значение двух параллельных определений, округляемое до сотых долей процента. Результаты расчета степени набухания образцов КМЦ представлены в табл. 1.
Изучение кинетики процесса набухания полимера. Методика изучения кинетики процесса набухания основана на растворении образца в воде с последующей фильтрацией этого раствора через бумажный фильтр [3—5]. Для этого необходимо навеску вещества необходимо растворить в известном количестве растворителя. Растворение необходимо проводить при периодическом перемешивании стеклянной палочкой или
на магнитной мешалке до окончательного растворения продукта, которое характеризуется полным отсутствием гелеобразных частиц. Процесс растворения вещества рассматривается через определенные промежутки времени. По окончании исследования необходимо рассчитать величины степени набухания и построить график зависимости степени набухания а от времени, представленные на рис. 1, 2.
Таблица 1
Степень набухания КМЦ
Соединение Степень набухания (а) (вода), % Степень набухания (а) (щелочь), %
КМЦ 28,51 18,83
а,%
28,70
28,60
28,50
28,40
0,00 10,00 20,00 30,00
т,мин
Рис. 1. Зависимость степени набухания карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) от времени (вода, ^-298 К)
а,% 19,10
19,00
18,90
18,80
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00
т ,мин
Рис. 2. Зависимость степени набухания карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) от времени (щелочь, ^-298 К)
~ 51 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
Since 1999 e-ISSN 2226-7417
On line scientific @ educational Bulletin "Health and Education Millennium", 2016. Vol. 18. No 12
---g»c«o»9-
Рассмотренные параметры позволяют охарактеризовать состояние в растворе высокомолекулярного соединения. Поэтому в приготовлении их растворов и работе с ними, необходимо учитывать особенности вещества, которые обусловлены разницей размеров молекул растворителя и полимера, а также его специфическими особенностями. Необходимо учитывать, что растворению полимера всегда предшествует процесс набухания. Важную роль в этом процессе играет температура, ввиду достаточной длительности процесса. Кроме этого подчас происходит такой процесс как слипание частиц вещества. На основании чего можно сделать вывод о том, что образование истинных растворов ВМС сложный и трудоемкий процесс [5].
Истинные растворы высокомолекулярных соединений способны образовываться самопроизвольно в случае, когда свободная энергия системы уменьшается, т.е. АО < 0. Необходимо отметить, что при соприкосновении растворителя с молекулами высокомолекулярного вещества, его молекулы проникают в полимерную фазу и тем самым изменяют структуру полимера. Образование раствора проходит через ряд стадий. Первоначальной стадией является набухание вещества, как и обсуждалось ранее. При этом молекулы растворителя (жидкости) проникают между элементами надмолекулярной структуры полимера, способствуя процессу межструктурного набухания. Молекулы жидкости способны располагаются на межструктурной поверхности раздела, образуя вцелом моно- или полимолекулярные слои. Необходимо отметить, что если сродство полимера к растворителю достаточно велико, то молекулы растворителя проникают внутрь структурных образований в полимере, разрушая их. Описываемый процесс носит название внутри-структурного набухания. Полученный истинный раствор можно нагревать, охлаждать, разбавлять, концентрировать, но при заданных значениях температуры и давления его свойства и структура будут одними и теми же, независимо от пути приготовления раствора. В связи с вышесказанным необходимо отметить ряд выводов, характеризу-
ющих свойства — признаки, характерные для растворов полимеров:
1. Растворению полимеров всегда предшествует набухание: растворитель постепенно проникает в полимер, вызывая его набухание.
2. Растворы полимеров, даже очень разбавленные, имеют аномально высокую вязкость.
3. В растворах полимеров чрезвычайно медленно протекают все процессы установления равновесия.
4. Малые количества посторонних веществ (примесей) в растворах полимера могут резко изменить свойства раствора.
Описываемые свойства растворов полимеров зависят также от величины молекулярной массы компонента и структуры макромолекулы. Кроме того, растворитель чаще всего не является инертным по отношению к полимеру. Его молекулы активно взаимодействуют с макромолекулами вещества, происходит процесс сольватации за счет межмолекулярных связей (ван-дер-ваальсовых сил, водородных связей, диполь-дипольного взаимодействия, донорно-акцепторного взаимодействия). Все описываемые виды межмолекулярного взаимодействия способны проявляться в различной степени в зависимости от полярности молекул полимера и растворителя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шачнева Е.Ю., Магомедова З.А., Малачие-ва Х.З. Изучение физико-химических свойств частиц карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в водных растворах // Техника и технология пищевых производств. 2014. № 1 (32). С. 152—156.
2. Шачнева Е.Ю. Физико-химия адсорбции фло-кулянтов и синтетических поверхностно-активных веществ на сорбенте СВ-1-А: Дис. ... канд. хим. наук. Махачкала, 2011. 139 с.
3. Лысенко Е.А., Ефимова А.А., Чернов И.В., Лит-манович Е.А. Методические разработки к практическим работам по растворам полимеров / Под ред. В.П. Шибаева. М.: МГУ, 2011. 26 с.
4. Хасанова С. Х. Методическое указание по выполнению лабораторных работ. Ташкент: Ташк. инст. текст. и легк. пром., 2014. 48 с.
5. Козлов Н.А., Митрофанов А.Д. Физика полимеров: Учеб. пособие / Владим. гос.ун-т. Владимир, 2001. 345 с.
~ 52 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
Since 1999 e-ISSN 2226-7417
Шачнева Е.Ю. Молекулярная структура системы вода — карбоксиметилцеллюлоза...
----—
MOLECULAR STRUCTURE
OF WATER SYSTEM — CARBOXYMETHYLCELLULOSE ACCORDING TO VISCOMETRY
E. Yu. Shachneva
Astrakhan State University, Astrakhan, Russia
Annotation. The size of dynamic viscosity is measured in system water — carboxymethylcellulose under standard conditions. Sizes of dynamic viscosity, extent of swelling at various types of solvents are determined. The main method of calculation of the considered parameter is described.
Key words: carboxymethylcellulose, physical and chemical parameters of a molecule, radius of particles, thickness of a diffusive layer, extent of swelling, swelling kinetics.
REFERENCES
1. Shachneva E.Yu., Magomedova Z.A., Malachie-va Kh.Z. Study of physico-chemical properties of particles of carboxymethyl cellulose in aqueous solutions. Food Processing: Techniques and Technology, 2014, no. 1 (32), pp. 152—156 (in Russian).
2. Shachneva E.Yu. Fiziko-himiya of adsorption of flokulyant and synthetic surfactants on a sorbent of SV-1-A: / Dis. Cand. Chem. Sci. Makhachkala, 2011 (in Russian).
3. Lysenko E.A., Yefimova A.A., Chernov I.V., Lit-manovich E.A. Methodical developments to practical works on solutions of polymers. Under the editorship of V.P. Shi-bayev. Moscow, MSU, 2011. 26 p. (in Russian).
4. Chasanoff S.H. Methodical instruction for accomplishment of laboratory works. Tashkent, Tashkent institute of textile and light industry, 2014. 48 p. (in Russian).
5. Goats N.A. Mitrofanov A.D. Fizik of polymers: Studies. benefit / Vladim. state. un-t. Vladimir, 2001. 345 p. (in Russian).
