Контрольная работа: Адсорбция полиэлектролитов

Концепция кислот и оснований Льюиса для описания адсорбции полимеров.

Концепция льюисовских кислот и оснований была успешно использована для описания адсорбции полимеров из растворов. Льюисовские кислоты - это акцепторы электронных пар, а льюисовские основания - доноры электронных пар. Соответствующие примеры - хлороформ и тетрагидрофуран. В процесс адсорбции конкурентно включены три компонента: полимер, растворитель и поверхность. Для описания адсорбции оказалось возможным использовать кислотно-основную концепцию. На рис.27 представлена адсорбция полиметилметакрилата на поверхности кремнезема. Адсорбцию проводили из растворов в различных растворителях, отличающихся по кислотности или основности. Растворители классифицировали по их кислотности или основности. Слева находятся сильноосновные растворители, адсорбция полимера в этих системах не наблюдается из-за конкуренции за поверхность между основным полимером и основным растворителем. Причем чем выше основность растворителя, тем меньше адсорбция ПММА. С правой стороны, где расположены кислотные растворители, картина обратная. Низкая адсорбция полимера наблюдается вследствие конкуренции за основный полимер между кислотной поверхностью и кислотным растворителем. Чем более кислотный растворитель, тем больше к нему сродство основного полимера, что приводит к уменьшению адсорбции на поверхности меньшей кислотности. В случае нейтрального растворителя достигается максимальное значение адсорбции. Эти свойства находят технологическое применение. На рис.28 приведены зависимости модуля упругости пластика ПММА от объемной доли кремнеземного наполнителя. Пластик получали из двух растворителей - тетрагидрофурана и из метиленхлорида. Видно, что модуль увеличивается с увеличением содержания наполнителя для ПММА, полученного из раствора в метиленхлориде, и почти не изменяется для ПММА, полученного из раствора в тетрагидрофуране. Плохие характеристики второй системы являются следствием адсорбции основного тетрагидрофурана на наполнителе, что затрудняет контакт полимера с поверхностью кремнезема, поэтому механическая прочность мала. Для получения высокомодульного пластикового литья необходимо использовать растворитель с низким сродством к поверхности наполнителя.

Рис.13. Адсорбция ПММА на кремнеземе и адсорбция хлорированного поливинилхлорида на карбонате кальция из различных растворителей, отличающихся кислотно-основными свойствами.

Аналогичное рассмотрение на основе представлений о льюсовских кислотах и основаниях, безусловно, применимо и для адсорбции кислотного полимера на поверхности основного твердого тела. На рис.27, б представлены данные по адсорбции хлорированного поливинилхлорида на карбонате кальция из растворителей, различающихся по кислотно-основным свойствам.

Конкуренцию между полимером и растворителем за поверхность можно определить достаточно точно, выполнив следующий эксперимент. Сначала изучают адсорбцию полимера на поверхности твердого тела из нейтрального растворителя. Затем добавляют другой растворитель, обладающий некоторым сродством к поверхности и вследствие этого конкурирующий с полимером за центры адсорбции. При высокой концентрации второго растворителя полимер полностью десорбируется с поверхности. Такой растворитель получил название "вытеснителя".

Рис.28. Зависимости относительного модуля упругости ПММА от объемной доли наполнителя для различных образцов пластика, приготовленных из метиленхлорида и тетрагидрофурана

Рис.15. Зависимость десорбции поливинилпирролидона с поверхности кремнезема в водных растворах от концентрации вытеснителей. Видно, что полимер полностью десорбируется при критической концентрации каждого вытеснителя

Из рис.15 видно, как поливинилпирролидон непрерывно десорбируется с поверхности кремнезема в водной среде по мере повышения концентрации вытеснителя вплоть до достижения критической концентрации, при которой полимер полностью десорбируется с поверхности.

Наиболее эффективным вытеснителем оказался Н-метилпирролидон: он способен полностью десорбировать ПВП при объемной доле в воде - 1%, в то время как диметилсульфоксид даже в чистом виде полностью не вытесняет полимер с поверхности.

Эти результаты хорошо коррелируют с адсорбционной активностью вытеснителей по отношению к кремнезему в воде. Адсорбционная активность при низких концентрациях пропорциональна наклону изотермы адсорбции.

Различные вытеснители характеризуются следующими значениями адсорбционной активности: 4300 - NMP, 44 - Н-этилморфолин, 5.3 - пиридин, 3.5 - Н-этилпирролидон, 2.8 - ДМСО. Таким образом, чем сильнее адсорбируется вытеснитель, тем меньше его нужно добавить для полного удаления полимера с поверхности.

Можно сделать вывод, что для "отмывания" полимера с поверхности необходимо использовать вытеснитель, у которого сродство к поверхности выше, чем у полимера.

3. Измерение адсорбции полимеров

Чаще всего адсорбцию полимера измеряют по убыли концентрации в растворе после адсорбции на поверхности дисперсных частиц. К определенному объему раствора полимера известной концентрации добавляют частицы, например латекса или пигмента. После достижения равновесия частицы отделяют и определяют равновесную концентрацию полимера в растворе. Довольно часто возникают проблемы с выбором подходящего и точного метода определения концентрации полимера. В том случае, если нужно получить оценочные результаты, можно воспользоваться альтернативным методом определения электрофоретической подвижности частиц при электрофорезе в электрическом поле. Электрофоретическая подвижность является мерой потенциала на границе скольжения вблизи поверхности частицы. Потенциал зависит от расстояния от поверхности частицы. При адсорбции на поверхности частицы неионного полимера граница скольжения смещается от поверхности частицы вглубь раствора, поэтому определяемое значение абсолютной электрофоретической подвижности, или дзета-потенциала, будет пониженным.

Такие измерения выполняются быстро и служат характеристикой взаимодействия полимера с поверхностью частицы. Адсорбцию ионных полимеров на поверхности частиц также можно определять по электрофоретической подвижности при соблюдении некоторой осторожности, поскольку результаты не всегда оказываются однозначными.

Адсорбцию полимера на макроскопических поверхностях удобно измерять методом эллипсометрии. Эллиптически поляризованный свет отражается поверхностью, на которой адсорбирован полимер. Поляризация отраженного света чувствительна к полимерному слою. Этот метод позволяет одновременно определять величину адсорбции и толщину адсорбционного слоя.

Адсорбцию полимера на границе вода-воздух легко определить по поверхностному натяжению. Полимер может сильно влиять на поверхностное натяжение даже при низких концентрациях. Резкое понижение поверхностного натяжения связано с низкой растворимостью полимера.

На основании измерений поверхностного натяжения легко показать макромолекулярную природу адсорбции полимера. Рассмотрим адсорбцию полиметакриловой кислоты из водного раствора на поверхности раствор-воздух. В качестве модели мономерного звена выберем изомасляную кислоту. Прежде всего постулируем, что поверхностной активностью обладают неионизованные молекулы, которые и адсорбируются на поверхности жидкость-воздух. При степени ионизации, равной нулю, поверхностное натяжение, характеризующее адсорбцию, имеет самое низкое из возможных значений как для полимера, так и для мономерной системы. Как следствие, поверхностное натяжение будет максимальным при очень высокой степени ионизации.

Из рис.16, а видно, что поверхностное натяжение растворов изомасляной кислоты линейно увеличивается со степенью ионизации. Для раствора полимера наблюдается скачок поверхностного натяжения при степени ионизации - 0.1. Причина скачка заключается в полимерной природе поверхностно-активного компонента. При повышении степени ионизации отдельные сегменты адсорбированного полимера ионизуются, но при этом остается еще довольно много неионизованных сегментов, удерживающих полимер в адсорбированном состоянии. При критической степени ионизации полимер полностью десорбируется с поверхности, вызывая скачок поверхностного натяжения. Для наглядности здесь можно провести аналогию с пробками, плавающими на поверхности. Процесс диссоциации моделируется подвешиванием к пробке гирек, втягивающих ее внутрь жидкости. В том случае, если пробки связаны веревкой, они все останутся на поверхности вплоть до достижения критической массы, после чего поверхность сразу освобождается от пробок.

Рис.16. Изменение электрофоретической подвижности частиц при адсорбции незаряженного полимера. Адсорбированный полимер целлюлоза) сдвигает плоскость скольжения от поверхности вглубь раствора, приводя к уменьшению электрофоретической подвижности

Рис.17. а - Зависимость поверхностного натяжения растворов полиметакриловой и изомасляной кислот от степени ионизации, б - Модель пробок, находящихся на поверхности, и прикрепленных к ним гирек, вызывающих десорбцию, которая иллюстрирует адсорбцию мономеров и полимеров на поверхности.