Д.х.н., профессор Жолболсынова А.С., магистрант Сергалиева Д.Е.

Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева,. Казахстан.

АДСОРБЦИЯ ИЗ РАСТВОРА ПОЛИВИНИЛПИРРОЛИДОНА НА ЦЕМЕНТЕ

Важные для техники вопросы, как адгезия полимеров к твердым поверхностям, структура и свойства монослоев и полимерных композиционных материалов тесно связаны с адсорбцией высокомолекулярных соединений (ВМС) на твердой поверхности. Процессы адсорбции играют существенную роль и в ходе формирования полимерного материала, а также переработки или синтеза в случае присутствия твердых тел иной природы (наполнителей, пигментов, стекла и т.п.). Получение клеевых соединений, нанесение лакокрасочных покрытий и другие технологические процессы включают как первую стадию, адсорбцию полимеров на твердой поверхности. Для регулирования свойств дисперсий на основе белков и процессов структурообразования практикуется добавка синтетических полимеров, а также наполнителей. Адсорбция полимеров из растворов на твердой поверхности – один из наиболее важных случаев этого явления. Поэтому исследование адсорбции, в частности, поливинилпирролидона (ПВП) из водного раствора на порошкообразных адсорбентах в зависимости от концентрации полимера, массы и удельной поверхности адсорбентов, представляет значительный научный и практический интерес.

ПВП – аморфный линейный полимер, который широко применяется в медицине и в разных отраслях промышленности. Он практически нетоксичен, гигроскопичен. Хорошо растворим в воде и других полярных растворителях. В водных растворах ПВП могут иметь следующие типы взаимодействий: Н-связи между третичной амидной группой в цикле и протоном растворителя, гидрофобные взаимодействия между углеводородными группами (метиленовые группы в цикле и в хребте).

Цемент – гидравлическое вяжущее вещество, способное набирать прочность во влажных условиях, чем принципиально отличается от некоторых других минеральных вяжущих, которые твердеют только на воздухе. Основными свойствами цемента являются тонкость помола, водопотребность, сроки схватывания, равномерность изменения объема и прочность. Основа его – измельченный клинкер, т.е. спекшаяся смесь глины и известняка. Химический состав портландцемента колеблется в пределах (в %): СаО – 64-67; SiO₂ – 22-24; Al₂O₃ – 4-7; Fe₂O₃ – 2-4; MgO и SО₃ – 2-3.

В работе использовали поливинилпирролидон с молекулярной массой 100 000 и цемент ПЦ 400 Д0 (М 400 Д0), соответствующий ГОСТ 31108-2003.

Предварительно мы установили основные уровни и пределы варьирования рассматриваемых факторов: С=0,2-1,0%; m=1-3г; S_уд=12-25м²/г.

Опыты проводились при 20⁰С, концентрация полимера определялась вискозиметрическим способом (вискозиметр марки ВПЖ). Удельная поверхность порошков устанавливалась по известной методике десорбции азота. Найдено, что в системе раствор ПВП – адсорбент равновесие достигается за 4-6 часов, причем быстрее для более концентрированного раствора. С повышением концентрации поливинилпирролидона в растворе величина адсорбции возрастает. Этот рост значителен при переходе к относительно концентрированным растворам, что, по-видимому, обусловлено возникновением агрегатов макромолекул и их преимущественным переходом на поверхность адсорбента. Данные приведены в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость величины адсорбции ПВП от концентрации раствора при Т=20⁰С; m=0,5г; S_уд=12-25м²/г.

С, %	0,2	0,7	1,0	1,5
Г, мг/г	43	111	146	170

На величину адсорбции влияет и количество адсорбента в системе. Высокодисперсные адсорбенты способны к агрегации, усиливающейся с возрастанием их концентрации. Это приводит к снижению эффективной удельной поверхности, а следовательно и адсорбции (таблица 2).

Таблица 2. Зависимость величины адсорбции ПВП от массы адсорбента при С=1%; Т=20⁰С; S_уд=14м²/г.

mадс.г	0,5	1,0	1,5	2,5	3,0
Г, мг/г	200	167	146	92	62

Оказалось, что величина адсорбции зависит и от значения удельной поверхности порошка (таблица 3).

Таблица 3. Зависимость величины адсорбции ПВП от значения удельной поверхности цемента при С=1%; Т=20⁰С; m=0,5г.

Sуд., м^2/г	12	14	18	20	25
Г, мг/г	170	200	257	284	351

Видно, что адсорбция возрастает пропорционально росту удельной поверхности адсорбента.

После установления закономерностей адсорбции ПВП на цементе нами была изучена применимость к данному процессу метода вероятностно – детерминированного планирования (ВДП). В литературе мало данных об использовании метода ВДП к решению проблем химии поверхностных явлений. Он характеризуется рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными приемами математического планирования. Так, достоинством данного метода является новая форма обобщенного уравнения, предложенная М.М. Протодъяконовым для описания статистических многофакторных зависимостей. На основе полученных экспериментальных данных с применением метода вероятностно – детерминированного планирования (ВДП) были рассчитаны однофакторные зависимости Г=f (C), Г=f (m), Г=f (S_уд), Г=188,2·С^0,717; Г=208,02-16,86m; Г=-0,456+14,262· S_уд.

Изотермы адсорбции ПВП из раствора на цементе при малых концентрациях полимера удовлетворительно описываются уравнением Фрейндлиха.

Список использованной литературы

1. Бух Н.Н., Зайцева Н.Л., Пискунов В.П. Адсорбция полимеров и олигомеров из разбавленных растворов на твердой поверхности.//Всероссийская конф. молодых ученых. - Тез. докл..-Саратов, 1997. - С.329-330

2. Stuart М. Speading of polymer molecules on solid surfaces.//2-nd Int.Symp.Mol. Order and Mobility in Polym Syst.-Abstr.-St.-Petersburg, 1996.-c.z.23.

3. Рощина, Т.М. Адсорбционные явления и поверхность / Т.М. Рощина, В.П.Передовой, Ф.Л. Ковш // Соросовский образовательный журнал. 1998. –№2. – С. 89–94

4. Cohen Stuart M.A., Hoogendam C.W., De Keizer A. Kinetics of polyelectrolyte adsorption.//1.Phys: Condens. Matter., 1997.- 9, 37.- С.7767-7783.

5. В.Н. Измайлова и др. Поверхностные явления в белковых системах.//М., Химия, 1988.- С.132-137.

6. Михаленко И.И., Май До Тхюи // ХV Всерос. Симп. «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности», Москва-Клязьма, 15-19 апреля 2013г. – С.55-57.