165819 (Интерполиэлектролитные комплексы), страница 3

Таким образом, термодинамические исследования указывают на значительные различия в структуре и свойствах поверхностных слоев.

МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Металлсодержащие полимерные материалы являются предметом интенсивных исследований в связи с перспективами их использования в различных областях техники и технологии. Для синтеза металлполимерных композитов можно использовать разные методы: обработка полимерных пленок парами металлов, химические реакции солей металлов в полимерных растворах с последующим выделением соответствующего полимера, полимеризация различных металлсодержащих мономерных систем.

Криохимический синтез металлполимерных пленок

Особый интерес представляет твердофазный криохимический синтез металлполимерных пленок. Процедура синтеза включает совместное низкотемпературное осаждение паров металла и мономера на подложку с

последующей низкотемпературной твердофазной полимеризацией образующейся системы. Если для инициирования реакции использовать излучение, то твердофазную полимеризацию некоторых мономеров можно осуществить даже при температуре 15 К. Особенность низкотемпературного синтеза состоит в том, что тепловое движение молекул в полимеризующейся системе «заморожено». В таких условиях в полимерной матрице фиксируются специфические металлорганические структуры и малые кластеры атомов металла, возникающие в результате низкотемпературной конденсации реагентов. При нагревании эти первичные продукты превращаются в металлические нанокристаллы. Важное преимущество рассматриваемого способа синтеза металлполимерного нанокомпозита заключается также в том, что формирование наночастиц металла происходит без участия стабилизаторов, которые адсорбируются на поверхности наночастиц и экранируют их. В данном случае не требуется также образования координационных связей между частицами и полимерным окружением. Ограничение размера частиц и их иммобилизация обусловлены жесткой решеткой полимерной матрицы, внутри которой происходит их зарождение и рост. Криохимический твердофазный синтез позволяет получать композитные пленки с высокой (до 50 объемных процентов) концентрацией нанокристаллов в полимерных матрицах различного типа, включая гидрофобные и неполярные полимеры. В результате появляется возможность выявления и исследования важных кооперативных эффектов, обусловленных взаимодействием между иммобилизованными наночастицами. В зависимости от природы и содержания, металлических наночастиц проводимость пленок «откликается» на различные соединения. Такие пленки могут «работать» как селективные и чувствительные сенсоры на состояние окружающей среды. Нанокомпозиты ПКС–металл обладают чрезвычайно высокой активностью в реакциях. Рассмотрены структура, физико-химические, сенсорные и каталитические свойства пленочных металлполимерных материалов, полученных совместным низкотемпературным осаждением паров металла и мономера на подложку с последующей низкотемпературной твердофазной полимеризацией соконденсата. В зависимости от природы металла и структуры мономера такой процесс позволяет получать металлсодержащие полимеры различного типа: металлорганические полимеры с атомами или кластерами металла в полимерной цепи, комплексы металл–полимер или частицы металла различного размера, физически иммобилизованные в полимерной матрице. Обсуждается связь между свойствами пленок и их структурой.

Влияние природы металла на продукты криохимического синтеза

Продукты криохимического синтеза зависят от природы металла. Так, совместная конденсация КС с Mg или Mn приводит к образованию комплексов различного типа между атомами или атомными кластерами взятого металла и молекулами КС. Совместная конденсация КС с Ag, Pb или PbS не приводит к появлению комплексов металл–КС или каких-либо других металлорганических соединений. В этом случае исходная мономерная система содержит частицы металла различного размера, физически иммобилизованные в твердом КС. Металлполимерные нанокомпозиты обычно являются хорошими катализаторами, обладают способностью катализировать и инициировать превращения галогенуглеводородов и многие другие процессы органического синтеза. Например, изомеризация хлоролефинов, взаимодействие полихлоралканов с насыщенными углеводородами. Их активность и в некоторых случаях селективность значительно превосходят значения, характерные как для малых кластеров и полиядерных комплексов металлов, так и для массивных и ультрадисперсных нанесенных металлов, полученных стандартными для приготовления таких катализаторов методами. Наблюдаемые эффекты не могут быть объяснены только величиной поверхности наноразмерных частиц металла в композите. Активность катализаторов не зависит от скорости перемешивания образцов, содержащих жидкие реагенты и пленку полимера, что указывает на высокую каталитическую способность.

Общим для изученных каталитических реакций является то, что первой стадией реакции является, вероятно, перенос электрона от низковалентного металла к хлорорганическому субстрату, который облегчается при определенном составе композита. С ростом содержания металла и, следовательно, уменьшением расстояний между наночастицами становится возможным туннельный или тепловой обмен электронами между частицами, несколько различающимися по размерам и форме; при этом будет происходить выравнивание электрического потенциала наночастиц путем их взаимозаряжения. Не исключено, что именно появление отрицательно заряженных частиц ответственно за рост активности по мере уменьшения расстояний между нанокластерами в матрице и за высокую активность исследуемых катализаторов в целом. Следует учитывать, что обе изученные реакции имеют на «обычных» катализаторах высокие энергии активации (15–25 ккал/моль). Отсюда следует, что процесс переноса электрона от катализатора к хлорорганическому субстрату идет с трудом. Появление отрицательных зарядов на взаимодействующих наночастицах в ПКС может способствовать снижению активационного барьера. Однако для более строгого сопоставления каталитических и электрофизических свойств нанокомпозитов надо понимать, что адсорбция реагентов на наночастицах в условиях реакции может менять электрофизические характеристики и область порога перколяции композита. Действительно, адсорбция четыреххлористого углерода приводит к необратимому при комнатной температуре резкому уменьшению проводимости образцов. Различное сродство к электрону хлоролефинов и четыреххлористого углерода может быть вероятной причиной различия в оптимальном соотношении

металл – полимер в реакциях метатезиса С–Сl связи и изомеризации дихлорбутенов. Криохимический твердофазный синтез металлполимерных пленок из газообразных компонентов без образования промежуточной жидкой фазы дает возможность создать новые ценные полифункциональные материалы с высоким содержанием металлических наночастиц. В качестве полимерных матриц, в основном, используются поли-п-ксилилены с различными заместителями, что позволяет в широких пределах варьировать структуру и свойства полимерной матрицы с целью создания нанокомпозиционных материалов с требуемыми свойствами. Особо следует отметить сенсорные и необычные диэлектрические свойства, также как и высокую каталитическую активность синтезированных металлполимерных пленок.

Вискозиметрия в разбавленных растворах полимеров

Полимеры, при их растворении в растворителе, значительно увеличивают вязкость раствора. Полимеры используются в качестве сгустителей в таких продуктах, как шампуни и мороженое. Этот эффект увеличения вязкости раствора может быть использован для оценки молекулярной массы полимеров. Во-первых, полимеры движутся очень медленно, или по крайней мере, гораздо медленнее, чем маленькие молекулы. Это логично, что чем быстрее будут двигаться молекулы в жидкости, легче будет течь сама жидкость. Поэтому, когда мы растворяем полимер в растворителе, то их медленное движение делает весь раствор в целом более вязким.

Однако молекулы полимера заставляют течь и молекулы растворителя также медленно. Дело в том, что молекулы полимера гораздо больше молекул растворителя, и при течении раствора эти молекулы создают «пробку» своими размерами и силами межмолекулярного притяжения. Таким образом, молекулы растворителя начинают двигаться с молекулами полимера с такой же скоростью.

Этот эффект загустевания помогает оценить молекулярную массу благодаря простому факту: чем больше молекулярная масса, тем больше становится вязкость раствора. Когда у полимера более высокая молекулярная масса, он обладает и большим гидродинамическим объемом, то есть объемом, который закрученная в клубок молекула полимера занимает в растворе. Обладая большим размером, полимер может блокировать движения большего числа молекул растворителя. Кроме того, чем больше молекула полимера, тем сильнее вторичные взаимодействия. Чем больше молекулярная масса, тем сильнее молекулы растворителя будут притягиваться к полимеру. Это усиливает замедление молекул растворителя. Для большинства полимеров существует вполне определенное соотношение между молекулярной массой и вязкостью. Поэтому, стоит измерить вязкость, и мы сможем получить молекулярную массу.

Как же мы измеряем вязкость раствора полимера? На самом деле, это весьма просто. Мы берем специальный прибор-вискозиметр, и измеряем, сколько времени пройдет, прежде чем через него протечет определенный объем жидкости.

Большое утолщение на трубке между двумя линиями сделано для того, чтобы увеличить объем жидкости между ними. Без этого утолщения уровень раствора понижался бы настолько быстро, что его было бы невозможно померить при помощи простого секундомера. Итак, теперь мы знаем, как измерять время, которое требуется для того, чтобы уровень жидкости упал на заданное расстояние. Это время называется временем истечения. Мы не ограничиваемся одним измерением. Мы измеряем времена истечения для различных концентраций растворов нашего полимера. Мы также измеряем для сравнения время истечения чистого растворителя, в котором полностью отсутствует растворенный полимер. Первое, что мы сделаем с полученными числами - это дадим каждому из них свое название. Сначала мы назовем время истечения для чистого растворителя t₀. Первое, что мы вычислим - это отношение вязкости растворов полимеров к вязкости чистого растворителя. Мы получим его, поделив время истечения раствора полимера при данной концентрации (которое мы называем t) на t₀, время истечения для чистого растворителя. Это даст нам то, что мы называем относительной вязкостью. Для обозначения этой величины мы используем греческую букву.

Мы конечно же используем величину относительной вязкости. На этот раз мы не будем смотреть на отношение времени истечения при данной концентрации раствора ко времени истечения чистого растворителя. Теперь мы будем смотреть на отношение разности времен истечения для раствора и чистого растворителя ко времени истечения чистого растворителя. Мы вычитаем время истечения чистого растворителя, t₀ из времени истечения раствора t. Затем мы берем результат этого действия и делим его на t₀. Мы называем этот результат удельной вязкостью.

Теперь поделим удельную вязкость на соответствующую концентрацию растворителя и получим то, что называется приведенной вязкостью.

Таким образом мы получим различные значения приведенной вязкости при разных концентрациях. Если мы отложим приведенную вязкость по оси y, а по оси x отложим концентрацию, мы получим график.

Когда мы строим этот график, то мы обозначаем тангенс угла наклона k'. Мы также экстраполируем этот график до нулевых значений концентрации и называем точку его пересечения с осью y характеристической вязкостью. (Характеристическая вязкость - это воображаемая величина. Поскольку вязкость меняется с концентрацией, то характеристическая вязкость определяется как гипотетическая вязкость при гипотетической "нулевой концентрации"). Таким образом, мы получаем уравнение прямой в форме "тангенс угла наклона и смещение". Одно последнее замечание: для проведения такого рода экспериментов вам надо использовать сильно разбавленные растворы. Если раствор слишком концентрированный, то молекулы полимера могут сблизиться друг с другом настолько, что начнут взаимодействовать между собой. Это взаимодействие приводит к тому, что вязкость раствора начинает возрастать таким образом, который плохо описывается нашими уравнениями, поэтому получение точных данных становится невозможным. Вот почему этот метод называется вискозиметрией в разбавленных растворах.

ПОВЕДЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ВЕЩЕСТВ В ПРИСУТСТВИИ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ

Исследование поведения полимеров (в том числе полимерных гидрогелей) в растворах солей металлов представляет собой огромный практический и теоретический интерес. Изучение особенностей такого поведения в растворах солей различной валентности создает базу в решении многих фундаментальных проблем, связанных с механизмом формирования структурированных ансамблей внутри полимера благодаря ионному или координационному связыванию с ионами металлов или их комплексными формами. С теоретической точки зрения это позволит решить проблему негомогенного распределения ионогенных групп, происходящих в таких системах, способствующее моделированию стадий биологической эволюции в свете формирования клеточных мембран и капсул. С практической точки зрения, изучение поведения набухания полимеров в солях металлов важно в разработке технологии извлечения ионов металлов из природных и сточных вод, в создании новых классов гетерогенных катализаторов, биомедицинских препаратов, термо - и механостойких полимерных материалов, полупроницаемых мембран и полупроводников. Существенно возросло значение хелатообразующих полимеров для аналитических целей.

В целом, по специфике влияния ионов металлов на объемные параметры гидрогелей можно выделить две категории их воздействия:

1) ионы металлов, как низкомолекулярный ион, создающий экранирующий фон для заряженных функциональных групп;

2) ионы металлов, как центральный комплексообразующий ион, связывающийся с лигандными гидрогелями, как за счет донорно-акцепторного взаимодействия, так и электростатического связывания. Следует отметить, что механизм комплексообразования может быть варьируемым. Прочная донорно-акцепторная связь может образоваться при условии, что симметрия набора донорных орбиталей лигандов (их линейная комбинация) соответствует симметрии акцепторных орбиталей центрального иона, а энергия близка к энергии заполненных орбиталей лиганда. В зависимости от соотношения этих факторов в комплексе может возникать ионная или донорно-акцепторная связь, а также большое число промежуточных вариантов, то есть, одновременное существование ионного и донорно-акцепторного взаимодействия.