CC BY
21
УДК 544.35+539.21
Щербаков В.А., Хасанова Л.Х., Ракитин А.И., Широких С.А., Корчагина М.Г., Анисимова Е.Д., Королёва М.Ю.
ИЗУЧЕНИЕ ГИДРОФОБНОСТИ НАНОКОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ ВЫСОКОПОРИСТОГО СОПОЛИМЕРА СТИРОЛА И ДИВИНИЛБЕНЗОЛА
Щербаков Вячеслав Александрович, магистрант 2 года кафедры наноматериалов и нанотехнологии, e-mail: [email protected];
Хасанова Ляйсан Ханифовна, магистрант первого года кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Ракитин Андрей Игоревич, студент 4 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Широких Сергей Александрович, студент 4 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Корчагина Мария Георгиевна, студентка 1 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Анисимова Екатерина Дмитриевна, студентка 1 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Королёва Марина Юрьевна, д.х.н., профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
В работе получен нанокомпозит на основе высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола, содержащий в качестве добавки магнитные наночастицы y-Fe2O3, модифицированные олеиновой кислотой. Показано, что введение магнитных наночастиц в полимерную структуру влияет на гидрофобность материала, а именно, увеличивает краевой угол смачивания от 144° до 154°. Установлено, что высокопористый нанокомпозит, содержащий магнитные наночастицы y-Fe2O3, модифицированные олеиновой кислотой, характеризуется меньшей скоростью впитывания и сорбционной емкостью по воде.
Ключевые слова: нанокомпозит, высокопористый полимер, магнитные наночастицы, гидрофобность, высококонцентрированная обратная эмульсия, сорбция
STUDY OF HYDROPHOBICITY OF NANOCOMPOSITE ON THE BASE OF HIGHLY POROUS POLY(STYRENE-CO-DIVINYLBENZENE)
Shcherbakov V.A., Khasanova L.Kh., Rakitin A.I., Shirokikh S.A., Korchagina M.G., Anisimova E.D., Koroleva M.Y. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Nanocomposite based on a highly porous poly(styrene-co-divinilbenzene) was obtained. This nanocomposite contained y-Fe2O3 nanoparticles modified with oleic acid. The incorporation of magnetic nanoparticles into the polymer structure affected the hydrophobicity of the material. The contact angle of wetting increased from 144° to 154°. The highly porous nanocomposite with magnetic y-Fe2O3 nanoparticles modified with oleic acid showed a lower absorption rate and a sorption capacity for water.
Keywords: nanocomposite, highly porous polymer, magnetic nanoparticles, hydrophobicity, highly concentrated reversed emulsion, sorption
Разработка сорбентов для ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов является одной из актуальных проблем современной экологии. Одним из эффективных методов ликвидации разливов является сорбционный метод. Он в основном используется для ликвидации тонких пленок с поверхности водоемов, с которыми плохо справляются механические сборщики. Существуют различные материалы, которые можно использовать в качестве сорбентов нефтепродуктов, в том числе и высокопористые полимеры [1]. Достоинствами таких материалов являются: возможность регулирования структуры при варьировании состава и технологических параметров получения [2], высокая пористость и сорбционная ёмкость, плавучесть, устойчивость к воздействию климатических условий, а также дешевизна и простота производства. Сорбенты, используемые
для ликвидации разливов нефтепродуктов должны быть гидрофобными, чтобы обеспечить высокую селективность сорбции нефтепродуктов по сравнению с водой.
Один из способов получения высокопористого полимерного материала основан на полимеризации обратных высококонцентрированных эмульсий (с долей дисперсной фазы больше 0,74). В качестве дисперсной фазы используется вода, которую впоследствии удаляют посредством термической или лиофильной сушки [3, 4].
Для более широкого и удобного применения высокопористого полимерного материала в качестве сорбента можно создать композиционный материал, который будет состоять из высокопористого полимера в качестве матрицы и различных наночастиц в качестве наполнителя. Наночастицы могут придавать высокопористому полимерному
материалу новые свойства, такие как электрическая проводимость, улучшение механических свойств. Например, наполнителем могут служить магнитные наночастицы [5]. При использовании такого композита появится возможность извлекать сорбент после окончания процесса сорбции. В представленной работе был получен композиционный материал, созданный на основе высокопористой полимерной матрицы, состоящей из двух сополимеров - стирола и дивинилбензола, и магнитных наночастиц y-Fe2O3, стабилизированных олеиновой кислотой.
В качестве матрицы, для получения нанокомпозита, использовался высокопористый сополимер стирола и дивинилбензола, полученный при использовании метода, основанного на полимеризации дисперсионной среды обратных высококонцентрированных эмульсий.
Дисперсионная среда высококонцентрированной обратной эмульсии состояла из смеси сомономеров, стирола и дивинилбензола. Доля дивинилбензола по отношению к стиролу составляла 10 об.%. Для стабилизации эмульсий использовали
сорбитанмоноолеат (Span 80, ГЛБ 4,3) в количестве 5 об.% по отношению к смеси мономеров [7].
В качестве наполнителя использовали магнитные наночастицы y-Fe2O3,
стабилизированные олеиновой кислотой. Магнитные наночастицы были получены модифицированным методом соосаждения [6]. Частицы, покрытые олеиновой кислотой, добавлялись к смеси сомономеров в количестве 25 % от массы смеси.
Дисперсной фазой эмульсий являлся водный раствор пероксодисульфата аммония. Количество пероксодисульфата аммония, который служил инициатором радикальной полимеризации, составляло 3 мас.% от смеси сомономеров. Доля дисперсной фазы в эмульсиях была равной 95 об.%.
Для получения высококонцентрированной обратной эмульсии в сосуд, содержащий смесь мономеров и сорбитанмоноолеат, с помощью перистальтического насоса добавляли водный раствор пероксодисульфата аммония со скоростью 3 мл/мин при перемешивании верхнеприводной мешалкой со скоростью 1200 об/мин. После добавления дисперсной фазы, сосуд с эмульсией переносили в печь и при температуре 65°С проводили полимеризацию. После завершения процесса полимеризации полимерный материал подвергался термической сушке при той же температуре.
Чтобы оценить влияние магнитных наночастиц, стабилизированных олеиновой кислотой, на свойства высокопористого полимерного материала, были получены образцы высокопористого полимера, не содержащего магнитные наночастицы, по вышеописанной методике.
Степень гидрофобности образца оценивали по краевому углу смачивания каплей воды поверхности образца, а также по величинам скорости впитывания и сорбционной ёмкости по воде и углеводородному маслу. Угол смачивания определяли по
фотографиям капли воды на поверхности образцов. Скорость сорбции определяли по кинетическим кривым в начальный момент времени. Значения сорбционной ёмкости для воды сравнивали через 1 сут, а для углеводородного масла через 1 ч. Кинетические кривые сорбции представлены на рисунке 1.
2 3 Время, мин
Рис. 1. Кинетические кривые сорбции углеводородного масла полимерным материалом без магнитных наночастиц (1) и с наночастицами (2), сорбции воды полимерным материалом без магнитных наночастиц (3) и с наночастицами (4).
Из приведенных на рисунке 1 зависимостей видно, что включение в состав пористого полимерного материала магнитных наночастиц не оказывает существенного влияния на кинетику сорбции неполярной жидкости. При этом образец, содержащий наночастицы оксида железа, поглощает воду со значительно меньшей скоростью и в меньшей степени, чем образец без частиц.
На рисунке 2 представлены фотографии капель бидистиллированной воды, находящихся на поверхности образцов.
Рис. 2. Капли бидистиллированной воды на поверхности образцов: (а) - без магнитных наночастиц; (б) - с магнитными наночастицами
Для сравнения данные по величине краевого угла смачивания, скорости сорбции в начальный момент времени и сорбционной ёмкости приведены в таблице 1.
Образец Краевой угол смачивания, ° Скорость сорбции в начальный момент времени, кг/(м2^с) Сорбционная емкость, см3/см3
Углеводородное масло Вода Углеводородное масло Вода
Без магнитных наночастиц 144 0,34 0,052 0,9 0,76
С магнитными наночастицами 154 0,33 0,003 0,9 0,10
Таким образом, при включении в состав высокопористого сополимера стирола и дивинилбензола магнитных наночастиц,
стабилизированных олеиновой кислотой,
происходит увеличение гидрофобности
поверхности. Краевой угол смачивания водой возрастает на 10° по сравнению с образцом, не содержащим наночастицы. Это приводит к значительному снижению скорости поглощения воды и сорбционной ёмкости по отношению к воде. Благодаря этим свойствам обеспечиваются возможность более эффективного использования высокопористых полимерных нанокомпозитов с магнитными наночастицами в качестве сорбентов для ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ -грант 10.4702.2017.
Список литературы
1. Щербаков В. А., Хасанова Л. Х., Салатова Ю. А., Королёва М. Ю. // Успехи в химии и химической технологии. — 2016. — Т. 30, № 12. — С. 40-42.
2. Щербаков В.А., Салатова Ю.А., Хасанова Л.Х., Королёва М.Ю. Влияние сорбитанмоноолеата на структуру высокопористого полистирола, полученного на основе обратных
высококонцентрированных эмульсий // Успехи в химии и химической технологии. — 2016. — Т. 30, № 12 (181). — С. 25-27.
3. Чекрыгина М. Ю., Королёва М. Ю. Получение пористого полистирола на основе высококонцентрированных обратных эмульсий // Успехи в химии и химической технологии. — 2013. — Т. 27, № 6 (146). — С. 128-131.
4. Щербаков В.А., Хасанова Л.Х., Королёва М.Ю., Юртов Е.В. Получение наноматериалов на основе высокопористого полистирола // VI Всероссийская конференция по наноматериалам с элементами научной школы для молодежи (Москва, 22 - 25 ноября 2016 г.). — Москва, 2016. — С. 506507.
5. Zhang N. et al. Facile preparation of magnetic poly(styrene-divinylbenzene) foam and its application as an oil absorbent // Ind. Eng. Chem. Res. 2015. — Vol. 54, No 44. — P. 11033-11039.
6. Muradova A. G., Zaytseva M. P., Sharapaev A. I., Yurtov E. V. Influence of temperature and synthesis time on shape and size distribution of fe3o4 nanoparticles obtained by ageing method // Colloids and Surfaces A. — 2016. — Vol. 509. — P. 229-234.
7. Koroleva M. Y., Yurtov E. V. Investigation and modeling of the rheological properties of concentrated water-in-oil emulsions // Colloid J. — 1994. — Vol. 56, No 4. — P. 513-517.
