ПЕРВАПОРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ СУЛЬФОНАТСОДЕРЖАЩИХ ПОЛИАМИДОВ Матушкина Н.Н.

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова


Номер: 11-1
Год: 2016
Страницы: 48-52
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

ароматические полиамиды, сорбция, первапорация, aromatic polyamides, sorption, pervaporation

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

Изучены первапорационные свойства мембран на основе гомополимеров ароматических сульфонатсодержащих полиамидов, а также их статистического сополимера и механической смеси полимеров. Показано, что незначительные различия в конфигурации макромолекул гомополимеров при включении бензольных колец в полимерную цепь через мета- или пара-положение, а также площадь мембраны изменяют транспортные свойства мембран по отношению к водно-органическим растворам.

Текст научной статьи

Введение Для разделения водно-органических систем в качестве мембранных материалов несомненный интерес представляют ароматические сульфонатсодержащие полиамиды, которые являются умеренно гидрофильными из-за наличия полярных групп и одновременно за счет их диполь-дипольного и ион-дипольного взаимодействия жесткоцепными полимерами, что должно благоприятно влиять на селективность массопереноса [1, 18]. Цель работы - изучение транспортных свойств мембран из ароматических сульфонатсодержащих полиамидов при разделении модельной смеси изопропанол - вода в зависимости от тонких различий в структуре полимера и некоторых условий реализации процесса Объекты исследования и эксперимент Объектами исследования были ароматические сульфонатсодержащие полиамиды, полученные на ЗАО НТЦ «Владипор». ПА-1 поли-N-изофталоил-2¢-натрийсульфонато-4,-4¢-диаминодифениламин ПА-2 поли-N-терефталоил-2¢-натрийсульфонато-4,-4¢-диаминодифениламин ПА-3 статистический сополимер ПА - 1 и ПА - 2, взятый в мольном соотношении 3:2 ПА-4 поли-N-изофталоил-1,3- диаминофениламин ПА-5 статистический сополимер ПА - 1 и ПА - 4 в мольном соотношении 1:1 ПА-6 механическая смесь ПА - 1 и ПА - 4 в мольном соотношении 1:1 Толщина пленок составляла 40 - 50 мкм, разнотолщинность ± 5%. Прочность на разрыв пленок ПА-1 составляла 38.0 Мпа, ПА-2 - 56.0 Мпа. Эксперименты по первапорации смесей вода - изопропанол проводили при 20оС в режиме испарения в вакуум. Прошедшие через мембрану пары конденсировались в ловушке охлаждаемой жидким азотом. Для расчета плотности потока (J) определяли массу сконденсированного вещества, различие в составе пермеата (Своды в паре) и исходного раствора (Своды в р-ре) характеризовало селективность разделения. Результаты и их обсуждение В структурно-неоднородных полимерах существуют пути преимущественного массопереноса низкомолекулярных веществ, так называемые транспортные каналы, связанные с характером агрегации макромолекул в надмолекулярной структуре, наличием в ней локальных областей пониженной плотности, спецификой взаимодействия диффузанта с адсорбционными центрами. Изменение ориентации бензольного кольца в ароматических сульфонатсодержащих полиамидах при одинаковом химическом составе изменит конфигурацию цепей, расстояние между зарядами, гибкость полимерной цепи и другие параметры, что повлияет на их транспортные свойства. На рис. 1 приведены данные по первапорационному разделению водных растворов изопропанола через пленки из ароматических полиамидов. Из представленных данных видно, что величины плотностей потоков (рис. 1а) через изученные пленки различаются. Объясняется тем, что в ПА - 1 заместители в бензольном кольце расположены в мета-положении и макромолекулы с изофталевой компонентой находятся в конформации сильно вытянутого заряженного клубка и их поведение характерно для гибкоцепных полиэлектролитов. В ПА - 2 заместители в бензольном кольце расположены в пара-положении и макромолекулы с терефталевой компонентой находятся в конформации стержнеобразной молекулы и в большей степени способны к надмолекулярной структурной организации [2, 890]. а б Рис. 1. Плотности потоков (а) и диаграммы первапорационного разделения (б) водно-спиртовых смесей на пленках из ароматических полиамидов: 1 (ПА - 1); 2 (ПА - 2), 3 (ПА - 3), 4 (ПА - 5). Величина плотности потока для ПА - 3 имеет, примерно, среднее значение плотностей потоков для ПА - 1 и ПА - 2, поскольку ПА - 3 представляет собой статистический сополимер этих гомополимеров. При замене в сополимере одного из гомополимеров, содержащих ионогенные группы на гомополимер без ионогенных групп, наблюдается значительное понижение проницаемости, поскольку именно сульфогруппы в подобных полиамидах отвечают за влагопоглощение [3, 330; 4, 25]. Это видно при сравнении величины плотностей потоков сополимеров ПА - 3 и ПА - 5 (рис. 1а, кривые 3 и 4). Влияние ориентации бензольного кольца на процесс массопереноса иллюстрирует диаграмма разделения (рис.1б). Самая высокая селективность наблюдается у ПА - 1, а самая низкая - у ПА - 5. Можно предположить, что в ПА - 1 реализуется наиболее плотная упаковка макромолекул в надмолекулярной структуре, по сравнению с другими образцами, и как следствие, низкая проницаемость и лучшая селективность. В случае с ПА - 5 играет роль отсутствие в одной из составных частей сополимера сульфогрупп. Транспортные свойства изучаемых в работе полиамидов зависят от того является ли материал мембраны статистическим сополимером двух гомополимеров или представляет собой механическую смесь этих гомополимеров [4, 25], а также от площади изучаемой мембраны [5, 149]. Связано это с тем, что надмолекулярная структура аморфно-кристаллических полимеров, используемых в качестве мембран для жидкофазного разделения, находится в термодинамически метастабильном и кинетически заторможенном состоянии. При набухании полимерные сегменты приобретают дополнительную кинетическую подвижность, приводящую к интенсификации релаксационных процессов с различными характерными временами и, следовательно, к структурной перестройке полимерной матрицы. Набухшие области полимера испытывают напряжения сжатия вследствие наличия по соседству более жестких ненабухших областей, а вакуумно-плотная фиксация пленок в мембранной установке затрудняет их усадку, поэтому возникновение и релаксация нестационарных внутренних напряжений не будут одинаковыми на пленках различной площади. Как следует из данных на рис. 2, мембраны большей площади из сополимера обладают не только более высокой проницаемостью, но и лучшей селективностью. Из ИК-спектров известно [6, 1667], что адсорбционными центрами воды являются катионы натрия, сульфогруппа, амидная группа, а спирты предпочтительно сорбируются в окрестностях карбонильных фрагментов ¾С=О амидных групп. Если считать, что транспортные каналы в основном формируются последовательностью доступных для молекул пермеата соответствующих адсорбционных центров, то придем к выводу, что у спирта и воды они различные, и изменение внешних условий по-разному может влиять на проводимость транспортных каналов. В частности внутренние напряжения, имеющиеся по выше названным причинам, в мембранах меньшей площади могут в большей степени подавлять проводимость гидрофильных «водных» каналов, чем «спиртовых». а б Рис. 2. Плотности потоков (а) и диаграммы первапорационного разделения (б) водно-спиртовых смесей на пленках из ароматических полиамидов различной площади: ПА - 5: 1 - 2 см2 , 2 - 20 см2; ПА - 6: 3 -2 см2, 4 - 20 см2 ПА - 6, представляющий собой механическую смесь гомополимеров, входящих в состав ПА - 5, имеет более плотную упаковку надмолекулярных образований, что следует из уменьшения трансмембранных потоков и отсюда меньшего влияния механических напряжений в мембранах различной площади на проницаемость и селективность. Таким образом, из представленных данных можно сделать вывод, что на транспортные свойства мембран из ароматических сульфонатсодержащих полиамидов сложным образом влияют конфигурация полимерной цепи, ее надмолекулярная структура, а также площадь мембраны. Автор выражает благодарность Ю.А. Федотову за предоставленные полимерные материалы

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.