научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛИАКРИЛОВЫХ ПЛЕНОК, СИНТЕЗИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОПОЛИМЕРИЗАЦИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛИАКРИЛОВЫХ ПЛЕНОК, СИНТЕЗИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОПОЛИМЕРИЗАЦИИ»

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2004, том 40, № 3, с. 380-387

УДК 541.183

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ ПОЛИАКРИЛОВЫХ ПЛЕНОК, СИНТЕЗИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОПОЛИМЕРИЗАЦИИ

© 2004 г. Л. Г. Колзунова1

Институт химии Дальневосточного отделения РАН 690022, г. Владивосток, просп. 100-летия Владивостока, 159, Россия Поступила в редакцию 26.02.2003 г.

Исследованы механизм и кинетика формирования полимерного слоя на металлических катодах методом электрополимеризации акриламида, формальдегида и К-метилолакриламида в водной среде. Предложена модель образования надмолекулярной структуры пленок. Установлено, что рост покрытия протекает в условиях непрерывного синтеза высокомолекулярных и низкомолекулярных фракций полимера. Удаление из пленки низкомолекулярных продуктов приводит к формированию пористой структуры. Показано, что ориентация молекул мономера и растущих макроцепей вдоль силовых линий электрического поля приводит к расположению пор и каналов перпендикулярно поверхности пленки, а также к образованию упорядоченной кристаллической фазы полимера. Установлено, что синтезированные пленки имеют асимметричную трехслойную структуру, плотный барьерный слой которой формируется на границе металл/полимерная пленка. Обнаружено, что полимер состоит из совокупности кристаллической и аморфной фракций.

Ключевые слова: электрополимеризация, механизм и кинетика пленкообразования, надмолекулярная структура, фазовый состав, электронная микроскопия.

ВВЕДЕНИЕ

Электрохимическое инициирование полимеризации мономеров (ЭХИП) - перспективный и интенсивно развивающийся метод создания новых полимерных материалов. Известно, что области практического использования полимеров определяются совокупностью их физико-химических и механических свойств. Поэтому при использовании метода ЭХИП для формирования полимерных пленок и покрытий на металлах важно знать, какие именно параметры электрополимеризации и каким образом влияют на указанные свойства. Такие знания необходимы для того, чтобы уметь управлять процессом и получать полимерные материалы с набором заданных характеристик.

Очевидно, что молекулярная и надмолекулярная структура, фазовый состав (кристаллическая и аморфная фаза), изолирующая способность, толщина, твердость, прочность сцепления с металлом, степень влагопоглощения, механические и другие свойства электросинтезированных полимерных пленок зависят не только от химической природы исходных мономеров, но и от условий электрополимеризации. Режим электролиза и ориентирующее влияние электрического поля воздействуют на скорость образования, молекулярную

1 Адрес автора для переписки: kolzunova@ich.dvo.ru;

chemi@online.ru (Л.Г. Колзунова).

массу, степень сшивки и растворимость полимера, упорядоченность его надмолекулярной структуры. Как правило, изменение любого параметра электролиза сказывается одновременно на нескольких показателях качества осаждаемой пленки. Поэтому умение управлять свойствами полимерных покрытий в процессе их формирования с помощью изменения условий ЭХИП представляет собой сложную, многопрофильную и до настоящего времени нерешенную задачу, которая требует детального и комплексного изучения.

Проведенные нами ранее исследования показали, что метод ЭХИП позволяет осаждать на металлах из водных растворов К-метилолакрилами-да (К-МАА) [1, 2] и композиции (акриламид -формальдегид) [3, 4] равномерные полимерные пленки, родственные по составу и близкие по физико-химическим свойствам. Были изучены механизм электрохимического инициирования полимеризации таких мономеров и кинетика пленкообразования. Установлено, что синтезированные полимерные пленки электрохимически устойчивы в диапазоне потенциалов (+0.5) - (-0.7) В ("х.с.э."). Кроме того, показано, что они обладают высокой изолирующей способностью, снижая в процессе формирования плотность тока на 1-2 порядка в набухшем состоянии. Электросопротивление же сухих покрытий достигает 1013-1014 Ом/м2.

Было также обнаружено, что формируемые пленки обладают свойствами полупроницаемых мембран, на основании чего запатентован принципиально новый электрохимический способ получения мембран для ультрафильтрации и обратного осмоса [5] и исследованы их баромембран-ные характеристики [6, 7].

Наличие ультрафильтрационных свойств у эле-ктросинтезированных полимерных пленок позволяет предположить, что они обладают пористой структурой. Однако до настоящего времени надмолекулярная структура пленок, причины и механизм формирования пористого каркаса, размер, форма, конфигурация и пространственное расположение пор, фазовый состав (со)полиме-ров, а главное, зависимость вышеуказанных параметров от режимов электролиза, равно как и специфическое влияние электрического поля на упорядоченность полимера, все еще остаются не ясными и слабо изученными. Вместе с тем совершенно очевидно, что только комплексное исследование взаимосвязи в цепи: "условия электрополимеризации - механизм формирования молекулярной и надмолекулярной структуры - химический и фазовый состав - физико-химические свойства эле-ктросинтезированных полимерных пленок" позволит установить пути управления процессом ЭХИП и проводить направленный синтез как плотных пленок, которые можно использовать в качестве специальных покрытий (защитных, электроизоляционных, декоративных, антифрикционных и др.), так и пористых полупроницаемых мембран (ультрафильтрационных, обратноосмотических, ионообменных) с заданным набором характеристик. Настоящая работа является одним из этапов исследований в этом направлении.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Синтез полимерных пленок методом ЭХИП проводили в прямоугольных ваннах из кварцевого стекла из водных растворов акриламида (Яеаиа1) и формальдегида (28-30%-ный раствор) или К-ме-тилолакриламида (синтезирован по методике [8]). В качестве "косвенного" инициатора полимеризации и электропроводящей добавки использовали хлорид цинка.

Формирование пленок проводили на гладком Р- или полированном Си-катоде. Анодом служила Р1. Электрод сравнения - хлоридсеребряный ЭВЛ-1М3 ("х.с.э."), снабженный капилляром Луг-гина, который заполняли рабочим раствором. Непосредственно перед экспериментом поверхность рабочего электрода обезжиривали пастой из мелкодисперсного М§0 ("ос.ч."), декапировали и промывали дистиллятом.

Поляризация электрода осуществлялась с использованием потенциостата П-5848; регистратор - самописец КСП-4.

Измерение сопротивления в процессе электролиза проводили по последовательной 4-элект-родной схеме замещения на установке, состоящей из моста переменного тока Р 5021, нульиндикато-ра Ф 582 и низкочастотного генератора сигналов Г3-36А.

Содержание в полимерной пленке водорастворимой и нерастворимой фракций оценивали по разности масс сухого покрытия до и после его выдерживания в воде в течение 24 ч при 20°С с последующим высушиванием до постоянной массы.

Надмолекулярную структуру полимерных пленок исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа 1БМ-и3. Полимерную пленку отделяли от подложки, промывали дистиллированной водой, сушили при комнатной температуре и атмосферном давлении. Затем на верхнюю и нижнюю поверхность образца и поперечный скол пленки проводили термическое напыление Аи с использованием вакуумного поста ВУП-4К при давлении 6.7 х 10-3 Па. Микрофотографирование проводили в вакуумной камере во вторичных электронах с ускоряющим напряжением 15 кВ. Образец размещали под плоским углом либо разворачивали под фиксированным углом, что позволяло одновременно наблюдать скол полимерной пленки и одну из ее поверхностей.

В качестве образцов для туннельной микроскопии использовали полимерные пленки, пропитанные раствором сульфата натрия.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Сочетание электрохимических методов изучения кинетики пленкообразования с электронной микроскопией позволило нам понять принципы формирования полимерного слоя в процессе ЭХИП и особенности его объемного строения.

Проведенные исследования показали, что при потенциостатическом электролизе водных растворов акриловых мономеров (акриламид - формальдегид - хлорид цинка; К-метилолакриламид - хлорид цинка) процесс катодного пленкообразования в области разряда комплекса [2и-М], образованного катионом цинка и мономером (Е > -1.1 В), является нестационарным и может быть разделен на несколько этапов. Из рис. 1а, кривые 1-5; 16 следует, что осаждение покрытия происходит сразу же после начала электролиза и в первые 2-5 мин идет с высокой скоростью и сопровождается линейным увеличением массы осадка. Затем, по мере перекрытия поверхности катода полимером, скорость пленкообразования замедляется, причиной чего является снижение плотности тока (рис. 2) вследствие роста омического сопротивления плен-

Я, 0м см2

т х 102, кг/м2 (а)

50

40

30 L

|- 20 16 12 8 4

0 120 т х 10, кг/м2 1.2

360 (б)

600 т, с

240

480 т, с

I, мА 12

8-

4-

100

200

300 т, с

Рис. 1. Изменение массы пленки в электролитах: а -I (1-5); б - II и сопротивления (1а, кривая 6, электролит III) электрода в процессе электрополимеризации. Состав электролитов, М: акриламид - 7, формальдегид - 7, 7пС12 - 0.05, рН 5 (I); К-МАА - 3, 7пС12 - 0.25, рН 5 (1), 2 (2), 1 (3) (II); акриламид - 3, формальдегид - 3, 7пС12 - 0.2 (III). Потенциал, В: -1.14 (1а - кривая 1); -1.16 (1а - кривая 2, 16); -1.2 (1а - кривая 3); -1.4 (1а - кривые 4, 6); -1.5 (1а - кривая 5).

ки (рис. 1а, кривая 6). Через 2-10 мин происходит полная блокировка электрода полимером. На этой стадии электрополимеризации плотность тока достигает минимального значения /ост (остаточный ток). Поскольку сам полимер, как показано в работе [9], электрохимически неактивен, величина /ост определяется электропроводностью электролита, сорбированного пленкой. Из рис. 2 следует, что в идентичных условиях электрополимеризации в слабокислой среде /ост меньше (кривые 3-5), чем в сильнокислых растворах (кривые 1, 2). Эти данные указывают на то, что при рН 3-6 образуются более плотные полимерные слои, влагопоглощающая способность которых минимальна. При рН 1-2 электролиз сопровождается газовыделением на катоде, что приводит к некоторому разрыхлению полимерной п

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