Диэлектрический отклик системы поливинилкапролактам-связанная вода (1102648)
Текст из файла
На правах рукописиУДК 537.226.33Маркин Григорий ВикторовичДиэлектрический отклик системыполивинилкапролактам-связанная водаСпециальности01.04.07 – физика конденсированного состояния02.00.06 – высокомолекулярные соединенияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2008 г.Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов МосковскогоГосударственного Университета им.
М.В. Ломоносова.Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессорГаврилова Надежда ДмитриевнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорКлечковская Вера Всеволодовнакандидат физико-математических наукПавлов Сергей ВасильевичВедущая организация: Тверской Государственный УниверситетЗащита состоится 24 декабря 2008 г. в 16ч. 30мин.
на заседании диссертационногосовета Д 501.002.01 в Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: ГСП-2 Москва, Ленинские Горы, МГУ, Физический Факультет,Южная Физическая Аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.М.В. Ломоносова.Автореферат разослан "12" ноября 2008 г.Ученый секретарь диссертационного советакандидат физико-математических наукЛаптинская Т.В.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыИзучение физических свойств воды в различных системах (клетки, протеины, полимеры и т.д.) представляет интерес для ученых в различных областях науки.
Установлено, что вода в этих объектах обладает свойствами, существенно отличающимися отобычной воды, что привело к возникновению таких понятий, как “биологическая вода”, “приграничная вода”, “связанная вода”. Большинство из существующих в природе биологических систем содержит воду, которая участвует в большинстве из протекающих в этих системах процессов. Механизм этого участия для многих процессов остается не ясным. В качестве примера можно привести тот факт, что скоростии точность биохимических реакций в живой клетке в десятки и сотни раз превышают таковые в пробирке. Данная проблема является особенно актуальной в связи свозросшим интересом ученых к исследованию биологических объектов.Одним из подходов исследования систем со связанной водой является моделирование их с помощью более простых объектов, сходных с ними по некоторым свойствам.
Наиболее удобным представляется исследовать связанную воду, заключенную в матрице синтетического полимера, в области низких температур, посколькупоявляется возможность рассматривать динамику воды в области температур, гдеподвижность молекул полимера остается, с одной стороны, «замороженной», а сдругой стороны, выступает в роли активного окружения, воздействующего на включенную воду. В результате такого воздействия вода проявляет свойства, не характерные для свободного состояния.В качестве одного из возможных модельных полимеров можно использовать Поливинилкапролактам (ПВКЛ). Данный полимер относится к группе карбоцепных полимеров, имеющих поли-N-виниламидное строение. ПВКЛ хорошо растворим в воде, в широком интервале концентраций. Благодаря наличию амидных групп в боковой цепи, макромолекулы ПВКЛ в водном растворе обладают высокой комплексообразующей способностью.
При введении даже небольшого количества воды в полимер происходит значительное снижение температуры стеклования системы, чтосвидетельствует о сильнейшей пластификации системы ПВКЛ-вода и обнаруживаетроль воды как пластификатора[1, 2].Из-за присутствия дипольных моментов для изучения данной системы удобнымпредставляется использовать метод диэлектрической спектроскопии. Диэлектрические спектры позволяют получить такие характеристики протекающих в системе релаксационных процессов, как: наиболее вероятное время релаксации τ , параметрыраспределения времен релаксации (его ширину, асимметричность), энергию активации релаксирующих объектов Ea , высокочастотный ε∞ и низкочастотный ε0 пределы3диэлектрической проницаемости и проводящие свойства системы.В случае с системой ПВКЛ-вода, и полимерная матрица и вводимый пластификатор (вода) являются полярными веществами, обладающими дипольными моментами.Для более глубокого понимания свойств такой системы необходимо сравнить их сосвойствами системы полимер+пластификатор, в которой полярным веществом являлся бы только полимер.
В качестве такой системы удобно использовать сополимерполивинилиденфторида с гексафторпропиленом (ПВДФ-ГФП). В данном случае молекулы только одного компонента имеют дипольный момент и способны давать вкладв диэлектрический отклик системы. Данный полимер, а также различные системы, всостав которых он входит, являются хорошо изученнными с точки зрения типов и механизмов молекулярной подвижности, протекающих в них в случае диэлектрическойрелаксации.
Сравнение такой системы с системой ПВКЛ-вода позволит получитьдополнительную информацию о свойствах последней.Цель работыЦель работы заключалась в экспериментальном исследовании физических свойствсистемы ПВКЛ-вода при различной концентрации воды в полимере, а также изучение подвижности молекул воды и полимера в исследуемом интервале температур.Также предполагалось получение и сопоставление температурных зависимостей действительной ε0 (T ) и мнимой ε00 (T ) частей комплексной диэлектрической проницаемости, действительной части проводимости и параметров теоретических функций,описывающих эти величины.
В рамках такого изучения также предполагалось сравнить диэлектрический отклик ситемы ПВКЛ-вода и ПВДФ-ГФП. В соответствии споставленной целью были определены следующие задачи:1. Получить пленки ПВКЛ с различным содержанием воды пригодные для исследования методом диэлектрической спектроскопии. Рассчитать соотношение количества молекул воды и мономерных звеньев полимера для полученных образцов.2. Определить энергии активации, характерные времена различных типов молекулярной подвижности в ситеме ПВКЛ-вода в зависимости от температуры. Получить распределения времен релаксации для исследованных образцов и зависимость параметров этих распределений от температуры.3.
Проанализировать температурные зависимости силы диэлектрической релаксации ∆ε для полученных образцов и сопоставить эти значения с теоретическипредсказанными для системы ПВКЛ-вода. На основе данного сравнения оценить вклад молекул воды и полимера в наблюдаемый диэлектрический отклик4системы.4. Проанализировать температурные зависимости проводимости в системе ПВКЛвода и сопоставить их с температурными зависимостями диэлектрической проницаемости.5. Сравнить диэлектрический отклик системы ПВКЛ-вода с диэлектрическим откликом системы ПВДФ-ГФП.Научная новизна результатов.1.
Впервые проведено изучение системы ПВКЛ-связанная вода методом диэлектрической спектроскопии. Получены характерные параметры, описывающие подвижность молекул воды и полимера и их взаимодействие (энергии активации,характерные времена релаксации и параметры их распределения).2.
Впервые для данной системы было оценено количество молекул дающих вкладв диэлектрический отклик. Показано, что вклад в диэлектрическую релаксациюдает только часть от общего числа молекул, находящихся в исследуемом объеме.3. Проведен анализ диэлектрических и проводящих свойств пленок ПВКЛ при различных концентрациях воды, что позволило описать механизм взаимодействия иподвижности молекул воды и полимера в зависимости от температуры.4. Проведено сравнение диэлектрического отклика ПВДФ-ГФП и пленок ПВКЛвода как двух систем, имеющих полярную матрицу и пластификатор (полярный вода и неполярный-ГФП).Научная и практическая значимость.Полученные экспериментальные результаты могут иметь важное практическое значение при решении задач, связанных с консервацией и сохранением биологическихобъектов при низких температурах.
В работе было показано, что в данной системеимеет место взаимовлияние полимерной матрицы и воды со значительным изменением свойств как воды, так и самого полимера.Основные положения выносимые на защиту1. В системе ПВКЛ-вода при охлаждении ниже T = 273K не наблюдается кристаллизация воды.
В пользу данного вывода свидетельствуют результаты ДСК(отсутствуют пики кристаллизации на термограммах для всех образцов при охлаждении). Также в пользу данного вывода говорят полученные впервые для данной системы результаты диэлектрической спектроскопии, указывающие на отсутствие релаксационных пиков, которые могут быть связаны с релаксацией мо5лекул воды в кристаллической фазе. Возможно также, что в переохлажденномсостоянии происходит переход воды в застеклованное состояние;2. В области температур 173 − 218K мнимая часть диэлектрической проницаемостиимеет два релаксационных процесса на определенных частотах, что характернодля многих полимерных систем со связанной водой, в том числе и биологических.Оба релаксационных процесса носят локальный характер. Это подтверждаетсяАррениусовским видом зависимости положения частоты максимума от обратнойтемпературы для обоих наблюдаемых процессов на графиках диэлектрическойпроницаемости и проводимости, а также данными других авторов по температурестеклования ПВКЛ.3.
Полученные в ходе экспериментов зависимости силы диэлектрической релаксации ∆ε (T ) для пленок ПВКЛ наблюдались и в других системах со связанной водой. Такое поведение может быть объяснено с помощью суммарного воздействиядвух факторов температурного и концентрационного. Сравнение теоретическипредсказанных и экспериментальных значений ∆ε (T ) показывает, что вклад внаблюдаемые процессы диэлектрической релаксации для образцов с малым содержанием воды вносит только часть из возможного количества молекул воды иполимера.Апробация работы.Результаты работы докладывались на следующих конференциях: VIII Конференциястудентов и аспирантов г.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
