научная статья по теме ЗАВИСИМОСТЬ ВЯЗКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИГЕКСАМЕТИЛЕНГУАНИДИН ГИДРОХЛОРИДА ОТ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА Химия

Текст научной статьи на тему «ЗАВИСИМОСТЬ ВЯЗКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИГЕКСАМЕТИЛЕНГУАНИДИН ГИДРОХЛОРИДА ОТ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА»

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Серия Б, 2014, том 56, № 3, с. 245-249

ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ

УДК 541.64:532.133

ЗАВИСИМОСТЬ ВЯЗКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИГЕКСАМЕТИЛЕНГУАНИДИН ГИДРОХЛОРИДА ОТ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА © 2014 г. М. Н. Григорьева, С. А. Стельмах, Л. У. Базарон, Д. М. Могнонов

Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук

670043 Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6 Поступила в редакцию 22.07.2013 г. Принята в печать 16.01.2014 г.

Определена зависимость константы Хаггинса к' разбавленных растворов полигексаметиленгуани-дин гидрохлорида от продолжительности синтеза и мольного соотношения мономеров. Установлено, что даже при эквимольном соотношении мономеров образуется частично разветвленный полимер, о чем свидетельствует увеличение к' после 7 ч синтеза от 0.35 до 0.80 при отсутствии роста значений характеристической вязкости.

Б01: 10.7868/82308113914030061

Полигуанидины характеризуются антимикробной, антивирусной, спороцидной, фунгицид-ной, инсектицидной, пестицидной, альгицидной активностью и находят широкое применение в качестве действующего вещества в составе многих дезинфицирующих средств, используемых в сельскохозяйственном производстве и медицине [1]. Наиболее распространенным представителем полигуанидинов является полигексаметиленгуа-нидин гидрохлорид (ПГМГ), который образуется в результате поликонденсации в расплаве гекса-метилендиамина (ГМДА) и гуанидин гидрохлорида (ГГХ). Несмотря на столь обширный спектр областей применения полимера, закономерности формирования макромолекул полигексамети-ленгуанидин гидрохлорида до конца не изучены. Литературные данные [2] по исследованию процесса поликонденсации ГГХ и ГМДА предполагают образование только линейных макромолекул для эквимольного соотношения мономеров. Их дальнейшее сшивание происходит при избытке ГМДА в системе, т.е. процесс гелеобразования идет на фоне линейной поликонденсации. Исследование вязкостных характеристик позволит дать оценку архитектуре образующихся макромо-лекулярных цепей.

В настоящей работе определена зависимость константы Хаггинса кк от продолжительности синтеза для эквимольного соотношения мономеров и для синтеза с 0.2 мольным избытком ГМДА. Установлено, что увеличение к' является следствием образования разветвленных макромолекул.

E-mail: s_stelmakh@bk.ru (Стельмах Сергей Александрович).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для поликонденсации использовали ГГХ производства фирмы "Лсго8 Ог§ашс8" без предварительной очистки (99%, Тпл = 185—189°С, [Н2О] < < 0.2%). ГМДА очищали перегонкой при температуре 205°С, собирали фракцию при Т = 202— 205°С.

ПГМГ получали следующим образом: 2.3200 г (0.02 моль) свежеперегнанного ГМДА помещали в предварительно взвешенную конденсационную пробирку объемом 35 мл, добавляли 1.9100 г (0.02 моль) предварительно осушенного ГГХ; реакцию проводили на масляной бане; температуру бани поддерживали с помощью реле с контактным термометром ТПК с точностью ±1°С. Полимеры, полученные с мольным избытком ГМДА, синтезировали аналогично. Выход полимеров составил 95.9-96.9%.

Характеристическую вязкость золь-фракций ПГМГ определяли в капиллярном вискозиметре Уббелоде с подвешенным уровнем (диаметр капилляра 0.6 мм) при температуре термостата 25 ± ± 0.05°С. Для определения характеристической вязкости готовили раствор 0.5 г полимера в 10 мл воды. Приведенную вязкость рассчитывали по формуле ппр = Пуд/с, где пуд — удельная вязкость раствора. Характеристическую вязкость находили экстраполяцией линейных зависимостей ппр от с к нулевой концентрации. Для подавления полиэлектролитного эффекта в качестве растворителя использовали 0.3М раствор №С1. Измерение вязкости проводили в диапазоне концентраций 0.5—5 г/дл для 4—6 концентраций. При данных концентрациях относительная вязкость находилась в диапазоне 1.2—3.

Зависимость характеристической вязкости и Мп образцов ПГМГ, полученных при Т = 165°С и мольном соотношении мономеров ГГХ : ГМДА = 1 : 1 и 1 : 1.2, от времени синтеза

Продолжительность [П], дл/г M* х 10-3 [П], дл/г M* x 10-3

реакции, т ГГХ : ГМДА = 1 : 1 ГГХ : ГМДА = 1 : 1.2

1 0.0310 1.25 0.0415 1.78

2 0.0400 1.94 0.0610 6.15

3 0.0455 2.40 0.0690 9.16

4 0.0490 2.45 0.0705 9.82

5 0.0505 2.87 0.0765 12.77

6 0.0510 2.92 0.1540 122.05**

7 0.0515 2.97 0.1300 70.66**

8 0.0520 3.02 0.0855 18.29**

9 0.0520 3.02 0.0775 13.32**

10 0.0520 3.02 0.0765 12.77**

11 0.0520 3.02 0.0760 12.51**

12 0.0520 3.02 0.0760 12.51**

13 0.0520 3.02 0.0760 12.51**

14 0.0520 3.02 0.0760 12.51**

* Рассчитана по параметрам уравнения Марка—Куна—Хаувинка [4]. ** Для золь-фракции.

Молекулярно-массовые характеристики образца ПГМГ исследовали методом ГПХ на жидкостном хроматографе Agilent 1200 с рефрактометрическим и спектрофотометрическим детекторами и термостатируемой колонкой. Условия анализа: стальная колонка 7.5 х 300 мм, заполненная сорбентом PL aquagel-OH MIXED (8 мкм), элюент — 0.06 М водный раствор LiNO3; температура 25°C; расход элюента — 1.0 мл/мин. Длина волны на спектрофотометрическом детекторе 254 нм; объем пробы 20 мкл. ММР определяли по калибровочному графику, построенному в диапазоне масс от 106 до 58400. Калибровку вы-

полняли по стандартным образцам полиэтиле-ноксидов, входящих в комплект Agilent PN:5064-8252 для калибровки системы гель-проникающей хроматографии для водорастворимых полимеров.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Образование полимера происходит в результате реакции поликонденсации, протекающей по механизму нуклеофильного замещения [2]. Образцы ПГМГ синтезировали по следующей реакции:

clq h2nx@/nh2

; c

nh2

+ x h2n-(ch2)6-nh:

2 —xNH3

' cl0 -HNx@/nh-(ch2)6—

c

nh2

X

Измерение вязкости полученных водорастворимых образцов проводили в растворе 0.3 н. №С1 для подавления полиэлектролитного эффекта [3]. Результаты представлены в таблице. При синтезе с избытком бифункционального реагента образуется полимер, характеристическая вязкость которого выше, чем вязкость образца, полученного при эквимольном соотношении мономеров, и за-

метное увеличение молекулярной массы наблюдается в первые 4 ч синтеза. Замедление роста молекулярной массы полимера после 4 ч синтеза для эквимольного соотношения, вероятно, связано с потерей подвижности макромолекул полимера, поскольку для поликонденсации в расплаве лимитирующим этапом является диффузия реакционных центров образующихся макромолекулярных це-

пей друг к другу [5]. Вблизи точки гелеобразова-ния (около 5 ч) наблюдается экстремальное изменение значений характеристической вязкости. После формирования геля (9 ч) в реакционной массе остается часть растворимых макромолекул с [п] = 0.076 дл/г, а более высокомолекулярные сшиваются, образуя нерастворимый продукт, выход которого составляет ~40%.

Известно, что зависимость приведенной вязкости от концентрации раствора полимера описывается уравнением Хаггинса [6]:

Пуд/С = [п] + к'[ц]2С, где к' — константа Хаггинса, характеризующая взаимодействие макромолекул с растворителем. Общепринято, что в хороших растворителях к' = = 0.2—0.3, в плохих — >0.5.

В работе была определена зависимость константы Хаггинса к' от продолжительности синтеза ПГМГ при эквимольном соотношении мономеров (рис. 1).

В процессе синтеза к' возрастает от значений, близких к нулю, для более низкомолекулярных продуктов, полученных в первые 3 ч синтеза, до 0.8 для полимера, синтезированного 11 ч, после чего значительно не изменяется. Таким образом, с ростом молекулярной массы полимера качество

Рис. 1. Зависимость константы Хаггинса к' образца ПГМГ, полученного при Т = 165°С и эквимольном соотношении мономеров, от времени синтеза.

растворителя незначительно ухудшается, однако увеличение к' может быть следствием образования разветвленных макромолекул.

В работе [7] показано, что взаимодействие ГГХ и ГМДА носит равновесный характер, поэтому в системе, содержащей эквимольное соотношение реагентов, возможны следующие виды взаимодействий (атакующая макромолекула выделена жирным шрифтом):

-ки-(сн2)„

с10

-икх@/ки-(си2) с

ж

с1е и\©^и

с 1

(СН2)П NH----

п

При атаке неподеленной электронной пары концевой аминогруппы на концевую группу ГГХ (реакция (1)) происходит рост макромолекуляр-ной цепи и выделение аммиака. На начальном

этапе синтеза, когда количество концевых групп велико, такой вид взаимодействия преобладает и сопровождается резким увеличением ММ и выделением аммиака:

с1 сг

-ки-(си2)- и^/к^(си2)— и^кн-^)«- мн —

с с

и ,и

ь n

I

Н

nh2

nh2

(1а)

Также в этом случае возможен перенос протона на иминогруппу, в случае чего концевая группа

ГГХ переносится с одной макромолекулы на другую:

^и-(си2)п

с1© с

и

с1

©

■(си2) + и^@/мн-(сн2)„-мн — -

2

Атака концевой аминогруппы ГМДА на диза-мещенную гуанидиновую группу, доля которой с

(1б)

2

ростом ММ увеличивается, может привести как к ветвлению макромолекулы

с1^ сг

с NH

----N^(^2)»

с ки2

и ,и

+ n

I

Н ,

(2а)

так и к замещению одного макромолекулярного фрагмента на другой:

И Н

с1 сг

с

ки2

с

ки2

(2б)

Ветвление макромолекулы возможно в случае замещения аминогруппы гуанидина макромоле-кулярным фрагментом, при этом так же выделяется аммиак.

Атака на тризамещенную гуанидиновую группу будет сопровождаться только замещением одного макромолекулярного фрагмента на другой и значительно не повлияет на строение полимера.

с1

©

с1

0

с1

0

и

--икх@/ки-(си2) -ик ки-(си2) — ик ки + к-(си2)-ик----

- - с н

с NH

с

ки2

(3)

ки2

Таким образом, даже при эквимольном соотношении мономеров возможно образование частично разветвленного продукта, однако опираясь только на вязкостные характеристики, данный процесс очень трудно идентифицировать.

В работах [8, 9] авторы связывают константу Хаггинса к' с разветвленностью, считая, что к' тем больше, чем больше разветвленность. Степень разветвленности увеличивается с ростом молекулярной массы, а при данной ММ она тем больше, чем выше температура, при которой получен полимер.

В работах [10, 11] изучена зависимость виско-зиметрической константы Хаггинса от разветв-ленности незаряженных полимеров. Однако установлено, ч

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком