Введение к работе
Актуальность. Природное происхождение, биосовместимость, нетоксичность, высокие сорбционные свойства, растворимость хитозана и его производных в водных средах, хорошие пленкообразующие свойства позволяют назвать этот полисахарид высоко конкурентоспособным и определяют целый спектр областей использования как чистого хитозана, так и продуктов его модификации и смесей с другими полимерами. Перспективным направлением применения хитозана является производство волокон и нитей. В небольших количествах такая продукция производится в Японии, США, Южной Корее, Польше, Италии путём формования из растворов хитозана или его смесей с другими полимерами по коагуляционному (мокрому) способу. В качестве растворителей используют жидкости, растворяющие хитозан без его предварительного модифицирования (водные растворы одноосновных кислот, в первую очередь, уксусной, водные и неводные растворы солей лития), или после превращения в эфиры и др. производные. По экономическим и экологическим причинам использование разбавленных водных растворов уксусной кислоты является наиболее целесообразным, при этом поиск условий приготовления текучих высококонцентрированных уксуснокислотных растворов полимера позволит осуществлять формование волокон и нитей по более технологичному термическому (сухому) способу. Актуальность проведения разработок в этой области обусловлена также и тем, что высокодисперсная волокнистая форма полимерных сорбентов обеспечивает возможность достижения наилучших гидродинамических и кинетических характеристик процессов сорбции и регенерации. Учитывая, что поверхностные слои наиболее активно участвуют в процессе сорбции, целесообразным является получение волокон и нитей со структурой «ядро - хитозановая оболочка».
Целью диссертационной работы являлась разработка условий получения хитозансодержащих нитей со структурой «ядро-оболочка», представляющих интерес как сорбент для анализа и очистки жидких и газообразных сред. Для достижения поставленной цели необходимо:
проанализировать литературные и патентные данные о способах получения хитозановых и хитозансодержащих волокон и нитей;
исследовать причины нестабильности вязкостных свойств уксуснокислотных растворов хитозана и оптимизировать условия приготовления формовочных растворов полимера;
исследовать влияние введения этанола на структурно-реологические свойства растворов хитозана;
разработать условия получения модифицированных нитей со структурой «ядро - оболочка» заданного состава и охарактеризовать их свойства и структуру;
установить закономерности, процесса сорбции и возможность регенерации сорбента.
Научная новизна работы:
- впервые показано, что причиной снижения вязкости уксуснокислотных рас
творов хитозана при хранении является деструкция полимера, протекающая в
слабокислой среде уксусной кислоты и приводящая к снижению степени структурирования раствора;
впервые показано, что введение этанола ухудшает термодинамическое качество разбавленной уксусной кислоты как растворителя, однако протекание экзотермических процессов при смешении водно-уксуснокислотных растворов хитозана с этанолом приводит к дорастворению полимера и повышению однородности его растворов;
высказано предположение, что структурно-реологические свойства спиртосодержащих растворов хитозана в большой степени определяются структурированностью самого растворителя, которая увеличивается в присутствии полимера;
показано, что введение этанола в формовочные растворы существенно не влияет на пористую структуру и деформационно-прочностные свойства отлитых пленок.
Практическая значимость:
показано, что выдерживание формовочных уксуснокислотных растворов хитозана можно использовать для снижения их вязкости и облегчения переработки без существенного снижения молекулярной массы полимера и ухудшения прочностных свойств пленок, гранул, волокон и других изделий из него;
введением этанола в формовочные уксуснокислотные растворы хитозана интенсифицирован процесс получения волокнистого сорбента с содержанием хитозановой оболочки до 50%;
в модельных условиях сорбции ионов меди показана эффективность использования волокнистого хитозансодержащего сорбента;
показана стабильность хитозановой оболочки в условиях перевода хитозансодержащего сорбента в сорбционноактивную форму полиоснования и в условиях его регенерации после сорбции.
Работа проводилась в соответствии с основными направлениями научных исследований кафедры технологии химических волокон и наноматериалов МГТУ им. А.Н.Косыгина, выполняемых по заданию Министерства образования и науки РФ в рамках АВЦП "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)" (проект № 2.1.1/2859 «Синтез новых производных хитозана и изучение процессов структурообразования в их растворах для регулирования растворимости, пористости и функционализации полимерных пленок и гидрогелей»), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» (контракт № 16.740.11.0059 «Получение и исследование эффективных форм функционализованных биоде-градируемых материалов на основе природных биополимеров для пострадиационной и токсикологической реабилитации человека и объектов окружающей среды») и двух грантов молодых исследователей МГТУ им. А.Н. Косыгина.
Личный вклад автора заключается в проведении анализа литературных данных по теме диссертации, определении совместно с руководителем задач и путей их решения, выполнении основной части эксперимента по получе-
нию и исследованию свойств плёнок и хитозансодержащих нитей, в обобщении полученных результатов, в том числе с использованием методов математического анализа, подготовке публикаций по работе.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 13 печатных работах, в том числе, в 4 статьях в журналах, включенных в перечень ВАК, 3 статьях в сборниках и материалах конференций, 1 патенте и 5 тезисах докладов.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на Шестой Международной научно-практической конференции «Техника и технология химических волокон» (Чернигов, Украина, 2007), Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности «Текстиль-2009» и «Текстиль-2010» (Москва), «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2008, Иваново), Девятой и Десятой Международных конференциях «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Ставрополь, 2008 и Нижний Новгород, 2010), VII Всероссийской конференции молодых учёных с межд. участием «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 2010), Пятой Всероссийской Каргинской конференции «Полимеры - 2010» (Москва, 2010), Всероссийской студенческой олимпиаде и семинаре «Нанокомпозиты и полимерные материалы» (с международным участием) (СПГУТД, Санкт-Петербург, 2010).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, методической части, раздела с обсуждением результатов, выводов, списка использованной литературы. Диссертация содержит 106 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 13 таблиц, библиографию из 142 наименований и 10 страниц приложений.
