На правах рукописи
ХАЙРУЛЛИН
Андрей Ранифович
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА БАКТЕРИАЛЬНОЙ
ЦЕЛЛЮЛОЗЫ GLUCONACETOBACTER XYLINUS И ЕЕ КОМПОЗИТОВ
С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОЧАСТИЦАМИ И ФОСФАТАМИ КАЛЬЦИЯ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Специальность 02.00.06 — высокомолекулярные соединения Санкт-Петербург 2013 2
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте высокомолекулярных соединений Российской академии наук
Научный руководитель: Паутов Владимир Дмитриевич, доктор физико-математических наук Официальные Люлин Сергей Владимирович оппоненты: доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокомолекулярных соединений Российской академии наук, ведущий научный сотрудник Сударь Николай Тобисович доктор физико-математических наук, доцент, СанктПетербургский государственный политехнический университет, профессор кафедры интегральной электроники
Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, г. Санкт-Петербург
Защита диссертации состоится "21" ноября 2013 года в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 002.229.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте высокомолекулярных соединений Российской академии наук по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Большой пр. В.О., 31, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институте высокомолекулярных соединений Российской академии наук.
Автореферат разослан "19" октября 2013 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук Л.В. Виноградова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Целлюлоза является одним из самых распространенных природных полимеров (полисахаридов). Среди четырех известных видов целлюлозы (растительная, животная, водорослевая и бактериальная) бактериальная целлюлоза (БЦ) занимает особое место. Обладая по существу той же химической структурой, что и растительная целлюлоза, БЦ проявляет два очень важных качества — тончайшую пористость и механическую прочность. Бактериальная целлюлоза продуцируется уксуснокислыми бактериями, является биодеградируемой и биосовместимой. В отличие от растительной целлюлозы, БЦ не участвует в построении клеточной стенки, не содержит лигнина и других примесей, т.е. является химически чистым продуктом. Бактериальная целлюлоза в виде гель-пленки способна удерживать большое количество воды (до 1000% от своей сухой массы).
Гель-пленки БЦ используются в качестве влажного антисептического покрытия при лечении ран, ожогов и воспалений. Благодаря этим свойствам, БЦ также весьма перспективна для получения композиционных материалов медицинского назначения путем внесения в нее различных лекарственных средств.
Как известно, введение наполнителя оказывает существенное влияние на физико-химические характеристики матрицы и композита в целом. Изучение этой зависимости ранее проводилось с помощью методов рентгеновской дифракции, электронной и атомно-силовой микроскопии, ядерного магнитного резонанса, инфракрасной спектроскопии, однако методы исследований, основанные на релаксационных процессах (прежде всего, диэлектрическая спектроскопия), способны дать дополнительную информацию о внутри и межмолекулярных взаимодействиях в композиции. Анализ литературы свидетельствует, что многие вопросы, относящиеся к формированию надмолекулярной структуры целлюлозы в составе композитов, остаются не достаточно ясными или вообще неизученными.
В связи с этим актуальной задачей является изучение диэлектрических свойств и структуры бактериальной целлюлозы и ее композитов с аллотропными соединениями углерода или фосфатами кальция в зависимости от способов дегидратации бактериальной целлюлозы, методов ее вторичной (термической, механической, химической) обработки, а также природы наполнителя.
Целью настоящей работы является установление взаимосвязи между диэлектрическими свойствами и надмолекулярной структурой композитов на основе бактериальной целлюлозы, модифицированной углеродными наночастицами (фуллерен С60, шунгитовый углерод) или фосфатами кальция (витлокит, гидроксиапатит).
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
установлено влияние режимов термической обработки на диэлектрические характеристики и структуру воздушно сухих образцов бактериальной целлюлозы.
исследованы диэлектрические свойства и структура воздушно сухих гельпленок бактериальной целлюлозы, подвергшихся механической или химической обработке.
получены воздушно сухие пленочные композиты: бактериальная целлюлоза-фуллерен С60, бактериальная целлюлоза–шунгитовый углерод, бактериальная целлюлоза–фосфаты кальция, исследованы их диэлектрические характеристики и структурная организация.
Научная новизна работы заключается в том, что:
впервые обнаружены и охарактеризованы области диэлектрического поглощения (диэлектрических потерь), связанные с взаимодействием сорбированной воды с первичными гидроксильными группами бактериальной целлюлозы, принадлежащими к разным уровням надмолекулярной структуры;
впервые методом диэлектрической спектроскопии в бактериальной целлюлозе обнаружено два локальных релаксационных процесса, обусловленных дипольной поляризацией первичных гидроксильных групп, находящихся на двух уровнях надмолекулярной структуры бактериальной целлюлозы: в наноканалах и между лентами;
наличие двух релаксационных процессов, подтверждает многоуровневую иерархическую структуру (модель Брауна) бактериальной целлюлозы;
показано, что распределение частиц аллотропных соединений углерода (шунгитовый углерод, фуллерен С60) в матрице бактериальной целлюлозы носит локальный характер и приводит к разрыхлению ленточной структуры матрицы;
установлено, что введение фосфатов кальция в бактериальную целлюлозу приводит к уменьшению количества аморфных областей в матрице.
Практическая значимость работы определяется тем, что:
на основе данных по исследованию диэлектрических свойств бактериальной целлюлозы и ее композитов показана перспективность метода диэлектрической спектроскопии в качестве чувствительного инструмента для изучения структуры композиционных материалов на основе природных полимеров, предназначенных для использования в медицине (раневые повязки, прекурсоры костной ткани и др.).
Основные положения, выносимые на защиту:
результаты диэлектрические исследований бактериальной целлюлозы подтверждают её многоуровневую иерархическую структуру;
путем варьирования способа и режима обработки (термической, химической, механической) гель-пленок бактериальной целлюлозы можно регулировать диэлектрические характеристики и надмолекулярную структуру воздушно сухих образцов;
путем вариации типа углеродных частиц (шунгитовый углерод, фуллерен С60) и их концентрации можно целенаправленно изменять характер локального распределения частиц в матрице бактериальной целлюлозы;
диэлектрические характеристики композиционных материалов на основе бактериальной целлюлозы и фосфатов кальция можно варьировать за счет изменения химической структуры и состава минеральной компоненты.
Обоснованность и достоверность полученных данных и выводов подтверждается высокой воспроизводимостью диэлектрических характеристик исследованных объектов и согласованностью с данными сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифракции и теоретическими расчетами.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы были представлены в виде докладов на: ХХХVII и XXXIX неделях науки СПбГПУ (СанктПетербург, 2008, 2010); 6th, 7th International Symposium “Molecular Order and Mobility in Polymer Systems” (Санкт-Петербург, 2008, 2011); V, VI, VII и VIII СанктПетербургских конференциях молодых ученых "Современные проблемы науки о полимерах" (Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011, 2012); XIX Всероссийской конференции “Структура и динамика молекулярных систем” (Яльчик, 2012);
Международной научной конференции “Современные тенденции развития химии и технологии полимерных материалов” (Санкт-Петербург, 2012); Международной молодежной научной школе “Синтез, структура и динамика молекулярных систем” (Москва, 2012).
Публикации. По результатам работы опубликовано 22 печатных работы: статей, в том числе 6 в журналах из перечня ВАК и 15 тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Личный вклад автора состоял в непосредственном участии на всех этапах работы, выполнении всех экспериментальных исследований, анализе и обработке полученных данных, обсуждении, интерпретации экспериментальных результатов, написании и оформлении публикаций.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка цитируемой литературы (166 наименований). Работа изложена на страницах, содержит 10 таблиц и 79 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость.
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ содержит анализ представлений о надмолекулярной организации растительной и бактериальной целлюлозы и влиянии воды на структуру целлюлозы; рассмотрены данные по основным свойствам фуллерена С60, шунгитового углерода и фосфатов кальция; проанализированы вопросы по классификации и методам исследования полимерных композиций;
уделено внимание методам исследования целлюлозы и, в частности, методу диэлектроспектроскопии.
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ содержит описание материалов и объектов исследования, методик по обработке (механической, термической, химической) образцов бактериальной целлюлозы, способов приготовления композитов и пленок на их основе, исследований пленочных образцов методом диэлектрической релаксации.
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для исследования взаимосвязи диэлектрических свойств и структуры композиций на основе бактериальной целлюлозы (БЦ) и низкомолекулярных включений (фуллерен С60, шунгитовый углерод, гидроксиапатит, витлокит) был использован метод диэлектрической релаксации, позволяющий изучать локальные и сегментальные формы подвижности цепи, в зависимости от морфологических особенностей систем. Первоочередной задачей было установление влияния воды на диэлектрические характеристики бактериальной целлюлозы. Важно было установить те уровни надмолекулярной структуры, где происходит взаимодействие целлюлозы и воды, идентифицировать процессы, связанные с водой в композициях целлюлозы с низкомолекулярными наполнителями.3.1. Влияние режимов термической обработки на релаксационные характеристики и структуру бактериальной целлюлозы Для идентификации процессов, связанных с остаточным количеством сорбированной влаги, был приготовлен пленочный образец из гель-пленки БЦ (Gluconacetobacter хylinus) с содержанием воды менее 1 масс.% и исследован методом диэлектрической спектроскопии в температурном интервале от 20°C до 160°C. Как следует из полученных данных (рис. 1 и рис. 2), рост и последующее уменьшение диэлектрической проницаемости () и тангенса угла диэлектрических потерь (tg) свидетельствует о трех видах диполей, которые разрушаются в результате температурного воздействия на пленку бактериальной целлюлозы.
Обнаруживаются три нерелаксационных процесса при 70 – 90°C, 100 – 120°C, 120 – 140°C.
Рис. 1. Температурная зависимость Рис. 2. Температурная зависимость тангенса диэлектрической проницаемости образца угла диэлектрических потерь образца БЦ в БЦ в диапазоне частот от 0.5 до 50 кГц. диапазоне частот от 0.5 до 50 кГц.
Можно полагать, что наблюдаемые нерелаксационные переходы отражают разрушение полярных группировок, образованных первичными гидроксильными группами с молекулами воды, характеризующихся большей заторможенностью молекулярного движения, по сравнению с свободными первичными гидроксильными группами, под действием температуры.
Повторные измерения проводили, предварительно выдержав образец БЦ на воздухе с влажностью 70% в течение 16 ч. Наблюдали изменение tg от 0.95 до 0. (частота 0.5 кГц), что указывало на уменьшение количества диполей, дающих свой вклад в нерелаксационный процесс. Интенсивность максимума tg уменьшилась от 0.7 до 0.16 (при T=60°C), а нерелаксационные области с максимумами при 110°C и 130°C явно не локализовывались. Наблюдалось появление новой области диэлектрических потерь (при T=15°C), связанной с наличием влаги на поверхности образца. Можно полагать что под действием высоких температур (до 160°C) полярные группировки, содержащие воду на разных уровнях структурной организации БЦ, разрушаются, из них удаляются молекулы воды. Важно отметить, что разрушенные в результате термической обработки полярные группировки не восстанавливаются даже при длительном контакте образца с влажной атмосферой и вода взаимодействует только с поверхностью образца.
С целью определения энергии активации процессов и выявления термических условий удаления связанной воды с различных уровней надмолекулярной структуры в бактериальной целлюлозе было проведено ступенчатое прогревание образца БЦ в процессе измерений до 60°C, 105°C и 160°C с последующим охлаждением до отрицательных температур (–150°C) для изучения релаксационных характеристик свободных первичных гидроксильных групп. Для непрогретого образца в области температур ниже комнатной не наблюдается релаксационного процесса, что связано с повышенной электропроводностью образца, обусловленной содержанием воды.
Нерелаксационный процесс, связанный с удалением влаги с поверхности (при 15°C), также не наблюдался, поскольку образец не имел длительного контакта с влагой атмосферы. Прогревание образца до 60°C приводило к разрушению части полярных группировок, содержащих молекулы воды.
При повторном измерении (т.е. для образца, уже прогретого до 60°C) с повышением температуры в процессе измерений до 105°C нерелаксационный процесс в области 80°С явно не наблюдался. Высокие значения диэлектрических потерь указывали на то, что часть гидроксильных групп все еще находилась в связанном с водой состоянии. Подобная температурная обработка (последовательный прогрев до 60°C и 105°C) приводит к тому, что локализуется низкотемпературная область диэлектрических потерь, и становится возможным определение времени релаксации и энергии активации релаксационного процесса связанного с подвижностью первичных гидроксильных групп. Для определения этих параметров из зависимости фактора диэлектрических потерь (полученной из зависимости tg(Т), рис. 3) была построена температурная зависимость времён релаксации при разных частотах (рис. 4) и определена энергия активации U наблюдаемого процесса, составившая 39 кДж/моль, что характерно для локальной формы подвижности (20-60 кДж/моль). Как видно на рис. 4, две нижних точки на графике не ложатся на линейную зависимость. Это может быть связано с наличием нескольких диполей, с близкими временами релаксации. Для идентификации индивидуальных релаксационных характеристик каждого диполя образец БЦ был прогрет до 160°C.
Рис. 3. Температурная зависимость тангенса Рис. 4. Температурная зависимость угла диэлектрических потерь в диапазоне времени релаксации () для образца БЦ, частот от 0.5 до 50 кГц для образца БЦ, предварительно последовательно предварительно последовательно прогретого прогретого во время измерений до 60°C во время измерений до 60°C и 105°C. и 105°C.
Прогревание приводило к тому, что при отрицательных температурах в области низких частот наблюдалась локализация двух релаксационных процессов (рис. 5).
Для определения энергии активации, аналогично рис. 4, была построена зависимость времён релаксации при разных частотах от температуры (рис. 6). Как следует из данных рис. 6, обнаруживаются два локальных процесса. Энергия активации процесса с меньшими временами релаксации (рис. 6, кривая 1) составляет 40 кДж/моль, для процесса с большими временами релаксации (рис. 6, кривая 1') 48 кДж/моль. Экстраполяция кривых 1 и 1' к частоте 1 Гц дает температуру максимума фактора потерь при 113°C и 95°C, соответственно. Можно предположить, что эти процессы связаны с подвижностью первичных гидроксильных групп, находящихся на двух разных уровнях надмолекулярной структуры БЦ.
Повторное прогревание образца до температуры 160°C не выявило существенных изменений при температурах выше комнатной (областей диэлектрического поглощения не локализовывалось), в области температур ниже нуля приводило к изменению времен релаксации, но качественную картину не меняло. Энергия активации процесса с меньшими временами релаксации уменьшалась от 48 до 28 кДж/моль, а для процесса с большими временами релаксации возрастала от до 66 кДж/моль. Экстраполяция кривых 1 и 1' к частоте 1 Гц дает температуру максимума фактора потерь 128C и 83C, соответственно. Важно отметить, что при дальнейшем прогревании образца кинетические параметры наблюдаемых процессов не менялись. Таким образом, пошаговая сушка БЦ позволила обнаружить локализацию двух областей релаксации.
Рис. 5. Температурная зависимость фактора Рис. 6. Температурная зависимость 3.2. Сравнение релаксационных характеристик бактериальной и растительной целлюлозы Из литературы известно, что для растительной целлюлозы (РЦ) характерна одна область релаксации. В настоящей работе показано, что в БЦ наблюдаются две области релаксации, обусловленных подвижностью первичных гидроксильных групп.
Такое отличие РЦ и БЦ можно объяснить более сложной иерархической надмолекулярной структурой БЦ. Однако для доказательства этого заключения необходимо было провести сравнительные исследования изменения диэлектрических характеристик растительной целлюлозы РЦ и БЦ при использовании однотипных режимов последовательной термической обработки.
Для сопоставления диэлектрического поведения пленочных образцов БЦ и РЦ, содержащих минимальное количество сорбированной воды, была построена температурная зависимость tg (рис. 7). Видно, что область диэлектрического поглощения для РЦ более узкая и симметричная (рис. 7), чем зависимость для БЦ. С целью сравнения релаксационных параметров была построена зависимость времени релаксации от температуры для двух видов целлюлоз (рис. 8).
Значения предэкспоненты (0), энергии активации (U), экстраполированные к частоте 1 Гц температуры максимума фактора диэлектрических потерь (Т1 Гц) релаксационных процессов, приведены в таблице 3. Видно, что процесс 1 является локальным (рис. 8, табл. 1), его характеристики определяются внутримолекулярным взаимодействием. В случае процессов 1 и 2 значения 0 превышают таковые для локального процесса, что свидетельствует о некотором влиянии межмолекулярных взаимодействий. Исходя из модельных представлений о надмолекулярной структуре бактериальной целлюлозы, процесс с более высокой подвижностью (процесс 1) можно связать с подвижностью гидроксильных групп, находящихся между лентами, а процесс 1 относится к гидроксильным группам, которые находятся в наноканалах и обладают меньшей подвижностью. Для растительной целлюлозы обнаружен только один релаксационный процесс 2 (рис. 8) с релаксационными характеристиками, близкими к процессу 1 в БЦ. Этот процесс в РЦ обычно связывают с подвижностью первичных гидроксильных групп в местах дефектов кристаллической структуры.
Рис. 7. Температурная зависимость тангенса Рис. 8. Температурная зависимость угла диэлектрических потерь для образца РЦ, времени релаксации для образца БЦ, последовательно прогретого во время последовательно прогретого во время измерения до 105°C и трижды до 160°C (1); измерений до 60°C, 105°C и два раза до БЦ, последовательно прогретого во время измерений до 60°C, 105°C и дважды до 160°C прогретого во время измерения до 105°C и Экстраполированные к частоте 1 Гц температура фактора потерь (Т1 Гц), предэкспонента (0) и энергия активация (U) релаксационных процессов БЦ и РЦ Т1 Гц, °C 0, c U, кДж/моль Т1 Гц, °C 0, c U, Т1 Гц, °C 0, c U, кДж/моль Полученные данные коррелируют с результатами, полученными методом рентгеноструктурного анализа, и подтверждают модель Брауна о многоуровневой надмолекулярной структуре бактериальной целлюлозы. Можно заключить, что структурные переходы, наблюдаемые на зависимостях tg=(T) при температурах выше комнатной и зависящие от режима термообработки, обусловлены водой, сорбированной в бактериальной целлюлозе. Таким образом, вода находится на следующих уровнях надмолекулярной структуры:
вода в порах (на зависимостях tg(Т) наблюдается пик при ~15°C), которая удаляется из пленки при 40оС;
вода, связанная с первичными гидроксильными группами, находящимися между лентами (на зависимостях tg(Т) наблюдается отчетливый пик при ~80°C), которая удаляется из пленки при 105°C;
кластеры воды, связанные с первичными гидроксильными группами, находящимися между лентами (на зависимостях tg(Т) наблюдается пик при ~110°C), которые удаляются из пленки при 130°C;
вода, связанная с первичными гидроксильными группами, находящимися в наноканалах (на зависимостях tg (Т) проявляется пик при ~130°C). Эта вода считается сильно связанной, удаляется из пленки при 160°C.
«