Термические свойства синтезированных сополимеров

Стойкость соединений, в том числе полимерных, к воздействию различных температур является важной характеристикой веществ, которые предполагается использовать в составе различных композиций.

Для изучения термофизических свойств синтезированных продуктов и исходных реагентов использовали программно-аппаратный комплекс с пакетом компьютерных программ, предназначенных для количественной обработки дериватограмм (кривых Г, TG, DTG, DTA), разработанный в Институте химии растворов РАН (г. Иваново) для измерения и регистрации выходных сигналов от датчиков дериватографа 1000D (MOM, Венгрия).

На рис. 22 представлены ТГ-кривые сополимера АА с МАГ 50:50 на воздухе. Потеря веса сополимером наблюдаются при температуре 150 °С; по-видимому, это связано с потерей воды и удалением летучих примесей. Уменьшение массы на 10% наблюдается при температуре 150 ºС. Скорость термического и термоокислительного разложения сополимера заметно возрастает при температуре 210 °С. Выше этой температуры можно отметить две стадии разложения: 250-300 °С и 300-390 °С; эндотермический эффект при температуре 390 °С, который при 520 ºС переходит в экзоэфект, отражающий термоокислительную деструкцию полимера. Выше 600 ºС происходит удаление коксовой массы и остается 8% твердого остатка. Общее падение массы составляет 80 %.

 

Рис.22. Зависимость потери массы от температуры сополимера АА-МАГ (50:50)

а)

б)

Рис. 23. Кривые ДТА(а) и ДТГ (б) сополимера АА-МАГ (50:50)

 

Рассмотрим термостабильность сополимера с большим содержанием метакрилата гуанидина МАГ-АА (90:10)

Как видно на кривой ТГ, потеря массы, связанная с удалением воды и летучих примесей из образца, наблюдается в области температур от 150 до 240 ºС, при этом потеря массы составляет до 15 %. Далее идет стремительное уменьшение массы до температуры 570 ºС. На этом участке происходит разложение гуанидиновых остатков, в результате дальнейшее разложение идет с образованием летучих продуктов, что приводит к вспениванию исследуемых образцов. При этой температуре на кривой ДТА наблюдается экзотермический эффект, показывающий полное термоокисление полимера. После удаления коксовой массы остается 20 % твердого остатка.

Рис. 24. Зависимость потери массы от температуры сополимера АА-МАГ (90:10)

 

При анализе кривых ТГ выявлено, что масса твердого остатка выше в образцах с большим содержанием МАГ.

По данным ДСК оказалось, что в образцах гомо- и сополимеров, взятых для исследований, воды около 20%, т.е. такая характеристика термостабильности соединений, как потеря 10% массы, требует корректировки данных ДТА для полимерных соединений. При этом следует отметить, что вода в сополимерах связана прочнее, чем в ПМАГ: при исследовании методом ДСК прогрев образцов ПМАГ до температуры 150 °С с последующим охлаждением и новым нагревом показал, что вода из данного соединения удалена полностью, чего не удалось добиться для сополимеров.

Наиболее стабильными оказались образцы сополимеров, содержащих большее количество акриламида. Например, потеря 30 % массы для сополимера АА-МАГ (90:10) наблюдается при 300 °С, а для сополимера 30:70 – при 280 °С. Это, вероятно связано с более сложным строением сополимеров с большим содержанием метакрилата гуанидина. По данным работы [171] при термоокислении производных мочевины, в том числе и гуанидина, могут выделяться водород, угарный газ, углекислый газ, метан.

а)

 

б)

Рис. 25. Кривые ДТА(а) и ДТГ (б) сополимера АА-МАГ (10:90)

С учетом возможного термолиза гуанидина с образованием карбамида суммарная реакция термодеструкции гуанидинового остатка упрощенно может быть представлена следующей реакцией:

 

72СО(NH₂)₂ → 45NH₃ + 15CO + 15H₂O + 5N₂+ 4CO₂ + 17(NH₂)₂(CO)₂NH +19NH₂CN

Сополимеры акриламида оказались более термостабильными, чем полиакриламид. Полиакриламид термически устойчив до 130 °С, а потеря 30% массы наблюдается уже при температуре 170 °С. При более высоких температурах начинается деструкция полимера, которая, как известно [172], сопровождается выделением аммиака, образованием имидных групп, возникновением внутри- и межмолекулярных связей по типу:

 

 

Таким образом, при сравнении термостабильности полимерных продуктов можно отметить, что более стабильными во всем интервале температур оказались сополимеры в сравнении с гомополимерами.

Данные термофизических исследований синтезированных сополимеров АГ и МАГ с ММГ суммированы в табл. 17 и 18.

 

Таблица 17

Термофизические свойства исходных мономеров и сополимеров МАГ-ММГ

Сополимеры МАГ: ММГ	кривая ДТА, T пл		кривая. ДТГ интервал разложен.			Ум-е массы на 10%		Ум-е массы на 20%	Ум-е массы на 30%		Мост.
1	2		3			4		5	6		7
90:10	200 350 500 540		80 280 400 520			110		270	300		5%
60:40	370 500 550		80 260 280 350 410 515			100		250	290		7%
50:50		310 370 490 540		80 270 340 400 520	100		250			290	8%
10:90		150 550 640		80 550	200		410			470	12%
МАГ		167 168		202-242 270-357	222		320			370	9%
ММГ		110 150 175 240 290-390 610 740		75-155 155-170 170-240 240-550	150		180			230	6%

 

Таблица 18

Термофизические свойства исходных мономеров и сополимеров АГ – ММГ

Образец	кривая ДТА T пл	кривая ДТГ интервал разложен.	Уменьшение массы на 10%	Уменьшение массы на 20%	Уменьшение массы на 30%	Мост.
1	2	3	4	5	6	7
АГ	90 270 370 540 640	90-160 160-205 205-260 260-350 350-450 450-570	70	100	230	6%
ММГ	110 150 175 240 290-390 610 740	75-155 155-170 170-240 240-550	150	180	230	8%
АГ–ММГ 50:50	170 270 350 600	90-185 185-265 265-330 330-520	150	110	250	12%
АГ–ММГ 70:30	270 360 560 600	170-200 200-250 250-440 440-560	100	200	250	10%

 

Таким образом, исследование термостабильности сополимеров показало, что их термические свойства зависят от состава и значительно выше термических характеристик исходных сомономеров и гомополимеров.

3.4. Исследование бактерицидных и токсикологических свойств новых сополимеров акрилат- и метакрилатгуанидина

В настоящий момент трудно найти группу материалов, на которую микроорганизмы не оказывают разрушающего действия. Жизнедеятельность различных патогенных микробов вызывает не только нежелательные изменения структурных и функциональных характеристик материалов и изделий, но они также реализуют свое губительное действие внутри живых клеток организма. В связи с этим, разработка новых биоцидных препаратов, несомненно, является актуальной задачей.

Учитывая, что под собственной физилогической активностью полимеров обычно понимают активность, которая связана с полимерным состоянием и не свойственна низкомолекулярным аналогам или мономерам [174], механизмы проявления собственной физиологической активности могут включать в себя как важнейшую составляющую физические эффекты, связанные с большой массой, осмотическим давлением, конформационными перестройками и др., а также могут быть связаны с межмолекулярными взаимодействиями и с биополимерами организма. Многие биополимеры организма являются полианионами (белки, нуклеиновые кислоты, ряд полисахаридов), а биомембраны также имеют суммарный отрицательный заряд. Взаимодействие между противоположно заряженными полиэлектролитами протекают кооперативно, причем образующиеся в результате поликомплексы достаточно прочны. Известно, что наибольшее значение имеют при таких взаимодействиях плотность заряда и молекулярная масса [174]. Если же говорить о биоцидных свойствах, то важную роль в этом случае играет знание механизма действия.

Последовательность элементарных актов летального действия полиэлектролитов на бактериальные клетки может быть представлена следующим образом [194]:

1) адсорбция поликатиона на поверхности бактериальной клетки;

2) диффузия через клеточную стенку;

3) связывание с цитоплазматической мембраной;

4) разрушение или дестабилизация цитоплазматической мембраны;

5) выделение из клетки компонентов цитоплазмы;

6) гибель клетки.

В первую очередь, это касается поликатионов, так как биомембраны имеют отрицательный суммарный заряд, хотя, отрицательно заряженные в целом клеточные мембраны имеют изолированные поликатионные области, на которых могут сорбироваться полианионы [195].

Все вышесказанное свидетельствует о перспективности и принципиальной возможность использования в качестве биоцидных препаратов синтезированных нами гуанидинсодержащих полимерных веществ. Отметим, что эти полимеры отвечают ряду требований, которые предъявляются к современным препаратам подобного рода: хорошая растворимость в воде и физиологическом растворе (1%-е растворы полимеров имеют рН =6,5-7,0); растворы бесцветны, не имеют запаха, не вызывают разрушения обрабатываемых материалов, а также полимерная природа этих соединений способствует отсутствию ингаляционной токсичности и образованию на обработанных поверхностях длительно сохраняющейся полимерной пленки, обеспечивающей пролонгированный биоцидный эффект.

Как известно, радикальная сополимеризация акриламида с виниловыми мономерами используется для получения сополимеров, которые обладают лучшими потребительскими свойствами по сравнению с полиакриламидом, который является промышленным флоккулянтом и используется в самых разных отраслях промышленности.

Предполагалось, что сополимеры АА, содержащие гуанидиновые группы будут обладать не только флоккулирующими, но биоцидными свойствами.

Биоцидную активность определяли по методикам подсчета выросших колоний после обработки воды флоккулянтами и методом диффузии в чашке (см. экспериментальную часть).

В результате исследований было выявлено, что полученные сополимеры обладают значительной биоцидной активностью по отношению к кишечной палочке, при этом биоцидная активность повышается с увеличением содержания гуанидинового фрагмента.

 

Таблица 19

Полимеры и сополимеры^*	Число колоний, выросших на 1 см^3воды	Качественная оценка биоцидности
1	1206	неудовлетворительная
2	31	хорошая
3	35	хорошая
4	103	удовлетворительная

 

*Примечание. 1-полиакриламид, 2-сополимер АА: МАГ (70:30),

3-сополимер АА: АГ (80:20), сополимер АА:МАГ (90:10).

Таблица 20

Полимеры и сополимеры^*	Диаметр зоны задержки роста (мм)	Качественная оценка биоцидности
1	2	неудовлетворительная
2	15	отлично
3	10	хорошая
4	6	удовлетворительная

 

Как видно из полученных результатов, синтезированные гуанидинсодержащие сополимеры проявляют бактерицидную активность в отношении изученных клеточных структур, причем у сополимеров с большим содержанием гуанидиновых групп наблюдается наиболее выраженная биоцидная активность.

На бактериологической стации ГСЭН КБР исследована также биоцидная активность сополимеров относительно золотистого стафилококка и патогенной грибковой микрофлоры Candida albicans.

Выявлено, что наибольшей биоцидной активностью по отношению к золотистому стафилококку обладает сополимеры АА-МАГ (70:30), (50:50), (10:90). Видно, что биоцидная активность зависит от количества МАГ в макромолекулярной цепи. По отношению к Candida albicans наиболее активным оказались образцы АА-МАГ (10:90) и АА-АГ (20:80). АА-МАГ (10:90).

Одним из важных показателей для применения реагента в качестве флоккулянта являются его токсикологические характеристики, так как для очистки воды могут применяться полимеры, не действующие на человека, животных, фауну и флору водоемов.

Методы биотестирования на ветвистоусых ракообразных занимают ведущее положение в системе экологического мониторинга природных вод, а биотест на дафниях Daphnia magma Strauss является наиболее стандартизованным из всех известных [196-198]. При биотестировании природных вод на зоопланктоне регистрируют поведенческие реакции, патологические нарушения, метаболические (биохимические) показатели, физиологические функции, окраску тела, скорость выедания корма и др., но наиболее чувствительной и надежной считается тест-реакция, в которой регистрируется процессы размножения – выживаемость и плодовитость.

Для определения токсичности ряда гомо- и сополимеров использовали методику определения токсичности воды с помощью дафний Daphnia magma Strauss. Дафний в количестве 20 штук высаживали в чашки Петри с исследуемыми образцами. Контроль проводили визуально и с применением бинокуляра, контролируя количество выживших дафний, причем учитывались изменения в движении и размножении рачков. Параллельно ставили контрольный опыт с природной водой. Наблюдения проводили 96 часов, дафний во время эксперимента не кормили. По окончании эксперимента проводили учет выживших дафний, выжившими считаются дафнии, если они свободно передвигаются или всплывают со дна.

Коэффициент токсичности в % рассчитывали по формуле:

 

,                                     (10)

 

где, Х₁ и Х₂ среднее арифметическое количество выживших дафний в контроле и опыте.

Проба воды оценивалась как обладающая острой токсичностью, если за 96 часов биотестирования в ней гибло 50% и более дафний по сравнению с контролем.

Токсикологические характеристики сополимеров исследовали в зависимости от состава и концентрации при постоянной температуре. В качестве модельных образцов были взяты соответствующие гомополимеры – полиакриламид и полиметакрилат гуанидина.

Растворы гомополимеров и сополимеров без разбавления оказывают угнетающее действие на весь процесс размножения дафний (рис. 26), задерживает рост, наступление половой зрелости и появление первого помета, уменьшает количество пометов и плодовитость, повышает выброс молоди и яиц. При разведении в отношении 1:2 токсичность сополимеров снижается. Наименее токсичными являются растворы сополимеров с концентрацией от 0,1 до 0,01 %. Токсичность образцов зависит также от состава сополимеров; с увеличением содержания метакрилата гуанидина токсичность снижается.

Анализ экспериментальных данных по исследованию токсичности сополимеров показывает, что растворы сополимеров МАГ:АА (20:80) и МАГ:АА (30:70) с концентрацией 0,1% и 0,01% практически не влияют на плодовитость дафний, но на 15% сокращают длительность жизни. Отметим, что гомополимер ПМАГ снижает плодовитость и длительность жизни у исследуемых дафний всего на 7%, а полиакриламид на 30 %. Выявлено, что токсичность полиакриламида выше, чем у сополимеров, т.е. даже небольшое содержание метакрилата гуанидина в сополимерах уже снижает токсичность полиакриламидного флоккулянта.

 

Рис. 26. Зависимость коэффициента токсичности гомо- и сополимеров от состава и концентрации.

Как известно, результаты биотестирования зависят от чувствительности тест-организмов. Поэтому помимо D. magna, для токсикологической оценки водных растворов полимерных флоккулянтов использовали также личинок комаров - звонцов Chironomus dorsalis. Результаты анализа показали, что наименее токсичными в исследованных условиях являются сополимеры АА с МАГ по сравнению с ПАА, причем наименее токсичным образцом для данных тест-культур оказался сополимер АА:МАГ (70:30), в растворе которого наблюдался переход личинок в куколки, а затем превращение в имаго. Исследование токсичности АА с АГ показало, что данные сополимеры обладают еще меньшей токсичностью по сравнению с МАГ, что хорошо согласуется с литературными данными о меньшей токсичности акриловой кислоты по сравнению с метакриловой.

Учитывая полученные данные можно варьировать состав сополимеров для достижения максимального эффекта биоцидного действия при минимальных проявлениях токсичности. Наличие же в структуре синтезированных сополимеров химически активных гуанидиновых групп открывает возможность осуществления на их основе макромолекулярного дизайна, что расширит области практического применения исследуемых сополимеров.

 

Таблица 21

Данные по биоцидности и токсичности сополимеров АГ и МАГ с ММГ и ряда модельных полимеров ^а

№ пп	Соединение	М1:М2 (исходный состав^)	It	E. coli	St.aureus	Candida albicans	МПК ´10^3^д
1	ПМАК	-	93,2	---	---	---	-
2	ПАГ	-	76,1	---	-++	---	-
3	ПМАГ	0:100	104,6	---	-++	---	9,2
4	АГ-ММГ	50:50	88,7	---	---	+++	2,2
5	МАГ-ММГ	70:30	101,5	---	----	++++	2,7
6	МАГ-ММГ	50:50	119,1	---	----	++++	1,4

 

Примечания. Escherichia coli – кишечная палочка, представитель грамотрицательной бактерии и Stophil. Aureus 906 – золотистый стафилококк, представитель грамположительной бактерии; (+++) – сплошной лизис бактериальной клетки, полностью задерживает рост данного штамма, (--+) - – частичный лизис клетки, наблюдаются зоны подавления роста через 48 часа (--+) – частичный лизис клетки, наблюдаются зоны подавления роста через 72 часа, (---) – не активен. ^дМинимальная подавляющая концентрация в вес%.

 

Сополимеры АГ и МАГ с ММГ не активны по отношению к изученным микроорганизмам, но обладают высокой фунгицидной активностью по отношению к патогенной грибковой микрофлоре Candida albicans, примечательно, что соответствующие гомополимеры проявляют бактерицидную активность, а фунгицидной активностью не обладают. Так, наибольший противогрибковый эффект был получен для образцов сополимеров МАГ с ММГ с исходным составом сомономеров 50:50 и 70:30.

Таким образом, сочетание в полученных сополимерах высокой противогрибковой активности (за счет содержания гуанидиновых групп) с повышенной способностью связываться с бактериальными клетками, благодаря звеньям гуанидина, позволило нам синтезировать новые эффективные гуанидинсодержащие биоцидные полимеры.