Метод измерения краевых углов в оптимизации выбора полимеров при создании функциональных материалов (обзор)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Продемонстрированы возможности метода измерения краевых углов для оптимизации выбора полимеров при создании мембран для транспорта газов, гемосовместимых материалов, полимерных композиционных материалов. В качестве параметров, используемых при выборе полимеров, выступают энергетические характеристики поверхностей полимерных пленок на различных границах раздела фаз. Показано, что величина дисперсионной составляющей поверхностной энергии плотных полимерных мембран может выступать в качестве индикатора их газопроницаемости. Представлена методика, которая на основании величин межфазной энергии твердое/полимер/модельная жидкость (вода, октан) позволяет оценить адгезионные свойства полимера в условиях лабильности функциональных групп его макромолекул в поверхностном слое при формировании композиционного материала. Продемонстрирован подход к выбору потенциально гемосовместимых полимерных материалов на основании величин их межфазной энергии полимер/вода.

About the authors

Юлия Геннадиевна Богданова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Author for correspondence.
Email: yulibogd@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-4354-4799

к.х.н., с.н.с. кафедры коллоидной химии МГУ им. М. В. Ломоносова, химический факультет

Russian Federation, 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

Валентина Дмитриевна Должикова

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: yulibogd@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-5460-7452

к.х.н., в.н.с. кафедры коллоидной химии МГУ им. М. В. Ломоносова, химический факультет

Russian Federation, 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3

References

  1. Адамсон А. Физическая химия поверхностей / Пер. с англ. И. Г. Абидора под ред. З. М. Зорина и В. М. Муллера. М.: Мир, 1979. С. 268‒286 [Adamson A. W. Physical chemistry of surfaces. NY: Wiley, 1976].
  2. Бойнович Л. Б., Емельяненко А. М. Гидрофобные материалы и покрытия: принципы создания, свойства и применение // Успехи химии. 2008. Т. 77. № 7. С. 619‒638 [Boinovich L. B., Emelyanenko A. M. Hydrophobic materials and coatings: Principles of design, properties and applications // Russ. Chem. Rev. 2008. V. 77. N 7. P. 583‒600. https://doi.org/10.1070/RC2008v077n07ABEH003775].
  3. Измайлова В. Н., Ямпольская Г. П., Сумм Б. Д. Поверхностные явления дисперсных системах. М.: Химия, 1988. С. 196‒199.
  4. Zisman W. A. Relation of equilibrium contact angle to liquid and solid constitution // Adv. Chem. Ser. Washington. Am. Chem. Soc. 1964. N 43. Р. 1‒51. https://doi.org/ 10.1021/ba-1964-0043.ch001
  5. Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия, 1976. C. 93‒99.
  6. Vojtechovska J., Kvitek L. Surface energy — effects of physical and chemical surface properties // Acta Univ. Palacky. Olomouc. Chemica 44. 2005. P. 25‒49.
  7. Kloubek J. Development of methods for surface free energy determination using contact angles of liquids on solids // Adv. Colloid Int. Sci. 1992. V. 38. P. 99‒142. https://doi.org/10.1016/0001-8686(92)80044-X
  8. Kwok D. Y., Neumann A. W. Contact angle measurement and contact angle interpretation // Adv. Colloid Int. Sci. 1999. V. 81. P. 176‒249. https: //doi.org/10.1016/s0001-8686(98)00087-6
  9. Genser J., Efimenko K. Recent developments in superhydrophobic surfaces and their relevance to marine fouling: A review // Biofouling. 2006. V. 22. N 5. P. 339‒360. https://doi.org/10.1080/08927010600980223
  10. Waldner С., Hirn U. Modeling liquid penetration into porous materials based on substrate and liquid surface energies // J. Colloid Int. Sci. 2023. V. 640. P. 445‒455. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.02.116
  11. Dolzhikova V. D., Bogdanova Yu. G. A new technique for elucidation of the surfactants effect on the water uptake by Nafion membranes // J. Colloid Polym. Sci. 2019. V. 297. N 3. P. 469‒473. https://doi.org/10.1007/s00396-018-4446-0
  12. Sazanova T. S., Otvagina K. V., Kryachkov S. S., Zarubin D. M., Fukina D. G., Vorotyntsev A. V., Vorotyntsev I. V. Revealing the surface effect on gas transport and mechanical properties in nonporous polymeric membranes in terms of surface free energy // Langmuir. 1920. V. 36. P. 12911‒12921. https://dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02140
  13. Carre A. Polar interactions at liquid/polymer interfaces // J. Adhesion Sci. Technol. 2007. V. 21. N 10. P. 961‒981. https://doi.org/10.1163/156856107781393875
  14. Kung C. H., Sow P. K., Zahiri B., Mérida W. Assessment and interpretation of surface wettability based on sessile droplet contact angle measurement: Challenges and opportunities // Adv. Mater. 2019. V. 6. N 18. P. 1900839. https://doi.org/10.1002/admi.201900839
  15. Sharma P. K., Hanumantha Rao K. Analysis of different approaches for evaluation of surface energy of microbial cells by contact angle goniometry // Adv. Colloid Int. Sci. 2002. V. 98. P. 341‒363. https://doi.org/10.1016/s0001-8686(02)00004-0
  16. Van Oss C. J., Chaudhury M. K., Good R. J. Monopolar surfaces // Adv. Colloid Int. Sci. 1987. V. 28. P. 35‒64. https://doi.org/10.1016/0001-8686(87)80008-8
  17. Chibowski E., Ontiveros-Ortega A., Perea-Carpio R. On the interpretation of contact angle hysteresis // J. Adhesion Sci. Technol. 2002. V. 16. N 10. P. 1367‒1404. https://doi.org/10.1163/156856102320252859
  18. Ruckenstein E., Lee S. H. Estimation of the equilibrium surface free energy components of restructuring solid surfaces // J. Colloid Int. Sci. 1987. V. 120. N 1. Р. 153‒161. https://doi.org/10.1016/0021-9797(87)90334-1
  19. Алентьев А. Ю., Рыжих В. Е., Сырцова Д. А., Белов Н. А. Полимерные материалы для решения актуальных задач мембранного газоразделения // Успехи химии. 2023. Т. 92. № 6. С. 1‒22 [Alentiev A. Yu., Ryzhikh V. E., Syrtsova D. A., Belov N. A. Polymer materials for solving actual problems of membrane gas // Russ. Chem. Rev. 2023. V. 92. N 6. RCR5083. https://doi.org/10.59761/RCR5083].
  20. Рыжих В. Е., Алентьев А. Ю., Ямпольский Ю. П. Связь газотранспортных параметров аморфных стеклообразных полимеров с их свободным объемом по данным метода аннигиляции позитронов // Высокомолекуляр. соединения. Сер. А. 2013. Т. 55. № 4. С. 403‒411 [Ryzhikh V. E., Alentʹev A. Y., Yampolʹskii Y. P. Relation of gas-transport parameters of amorphous glassy polymers to their free volume: Positron annihilation study // Polym. Sci. Ser. A. 2013. V. 55. N 4. P. 244‒252. https://doi.org/10.1134/s0965545x13040068].
  21. Волков А. В., Волков В. В., Хотимский В. С. Мембраны на основе поли-1-триметилсилил-1-пропина для разделения жидкостей // Высокомолекуляр. соединения. 2009. Т. 51. № 11. C. 2113‒2128 [Volkov A. V., Volkov V. V., Khotimskii V. S. Membranes based on poly[(1-trimethylsilyl)-1-propyne] for liquid-liquid separation // Polym. Sci. Ser. A. 2009. V. 51. N 11‒12. P. 1367‒1382. https://doi.org/10.1134/s0965545x09110212].
  22. Ямпольский Ю. П. Методы изучения свободного объема в полимерах // Успехи химии. 2007. Т. 76. № 1. C. 66‒87 [Yampolskii Y. P. Methods for investigation of the free volume in polymers // Russ. Chem. Rev. 2007. V. 76. N 1. P. 59‒78. https://doi.org/10.1070/RC2007v076n01ABEH003629].
  23. Park J. Y., Paul D. R. Correlation and prediction of gas permeability in glassy polymer membrane materials via a modified free volume based group contribution method // J. Membr. Sci. 1997. V. 125. P. 23‒39. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(96)00061-0
  24. Богданова Ю. Г., Должикова В. Д. Связь энергетических характеристик поверхностей полимерных мембран с их транспортными свойствами // ЖПХ. 2018. Т. 91. № 8. С. 1154‒1165 [Bogdanova Y. G., Dolzhikova V. D. Relationship between energy characteristics of surface of polymeric membranes and their transport properties // Russ. J. Appl. Chem. 2018. V. 91. N 8. P. 1311‒1321. https://doi.org/10.1134/S1070427218080098].
  25. Materials science of membranes for gas and vapor separation / Eds Yu. Yampolskii, I. Pinnau, B. D. Freeman. Chichester: Wiley, 2006. P. 16.
  26. Костина Ю. В., Гильман А. Б., Волков В. В., Пискарев М. С., Легков С. А., Литвинова Е. Г., Бондаренко Г. Н. Воздействие разряда прстоянного тока на свойства поверхности мембраны из поли[1-(триметилсилил)-1-пропин]а // Химия высоких энергий. Т. 43. № 6. С. 566‒568 [Kostina Y. V., Gilʹman A. B., Volkov A. V., Piskarev M. S., Legkov S. A., Litvinova E. G., Bondarenko G. N. The effect of direct-current discharge treatment on the surface properties of a poly(1-(trimethylsilyl)-1-propyne) membrane // High Energy Chem. 2009. V. 43. N 6. P. 509‒511. https://doi.org/10.1134/s0018143909060162].
  27. Полевая В. Г., Бондаренко Г. Н., Шандрюк Г. А., Должикова В. Д., Хотимский В. С. Синтез и свойства бромированного поли(1-триметилсилил-1-пропина) // Изв. АН. Сер. хим. 2016. № 4. С. 1067‒1071 [Polevaya V. G., Bondarenko G. N., Shandryuk G. A., Khotimsky V. S., Dolzhikova V. D. Synthesis and properties of brominated poly(1-trimetylsilyl-1-propine) // Russ. Chem. Bull. 2016. V. 65. N 4. P. 1067‒1071. https://doi.org/10.1007/s11172-016-1414-z].
  28. Ван Кревелен Д. В. Свойства и химическое строение полимеров. М.: Химия, 1976. C. 100‒102 [Van Krevelen D. V. Properties of polymers correlations with chemical structure. EPC: Amsterdam, 1972].
  29. Биосовместимые материалы / Под ред. В. И. Севостьянова, М. П. Кирпичникова. М.: Мед. инф. агентство, 2011. C. 77‒121.
  30. Ямпольская Г. П., Должикова В. Д. Модифицирование поверхности полистирола комплексом бычий сывороточный альбумин–Твин-80 и прогнозирование биосовместимости // Вестн. МГУ. Сер. 2. Химия. 2007. Т. 48. № 1. C. 33‒37 [Yampolʹskaya G. P., Dolzhikova V. D. Surface modification of polystyrene with the bovine serum albumin-Tween 80 complex and a forecast of biocompatibility // Mosсow Univ. Bull. Ser. Khim. 2007. V. 62. N 1. P. 27‒31. https://doi.org/10.3103/s0027131407010075].
  31. Ruckenstein E., Gourisfnkar S. V. Preparation and characterization of thin film surface coatings for biological environments // Biomaterials. 1986. V. 7. N 6. Р. 403‒422. https://doi.org/10.1016/0142-9612(86)90028-1
  32. Богданова Ю. Г., Должикова В. Д., Мажуга А. Г. Адгезионные характеристики полиолефинкетонов в модельных системах полимер–жидкость // Клеи. Герметики. Технологии. 2010. № 7. С. 2‒7 [Bogdanova Y. G., Dolzhikova V. D., Mazhuga A. G. Polyolefin ketones adhesive characteristics in model systems polymer–liquid // Polym. Sci. Ser. D. 2011. V. 4. N 1. P. 8‒12. https://doi.org/10.1134/s1995421211010023].
  33. Алентьев А. Ю., Богданова Ю. Г., Должикова В. Д., Белов Н. А., Никифоров Р. Ю., Алентьев Д. А., Карпов Г. О., Бермешев М. В., Боровкова Н. В., Евсеев А. К., Макаров М. С., Горончаровская И. В., Сторожева М. В., Журавель С. В. Оценка гемосовместимости полимерных мембранных материалов для оксигенации крови // Мембраны и мембран. технологии. 2020. Т. 10. № 6. С. 393‒408 [Alentiev A. Y., Bogdanova Y. G., Dolzhikova V. D., Belov N. A., Nikiforov R. Y., Alentiev D. A., Karpov G. O., Bermeshev M. V., Borovkova N. V., Evseev A. K., Makarov M. S., Goroncharovskaya I. V., Storozheva M. V., Zhuravel S. V. The evaluation of the hemocompatibility of polymer membrane materials for blood oxygenation // Membranes and Membr. Techn. 2020. V. 2. N 6. P. 368‒382. https://doi.org/10.1134/s2517751620060025].
  34. Богданова Ю. Г., Должикова В. Д., Бабак В. Г., Вихорева Г. А. Смачивающее и модифицирующее действие карбоксиметилхитина в присутствии хлорида тетрадецилтриметиламмония // Вестн. МГУ. Сер. 2. Химия. 2004. Т. 45. № 6. С. 366‒369 [Bogdanova Y. G., Dolzhikova V. D., Babak V. G., Vikhoreva G. A. Wetting and modifying action of carboxymethylchitin in the presence of tetradecyltrimethylammonium chloride // Mosсow Univ. Bull. Ser. Khim. 2004. V. 59. N 6. P. 8‒12].
  35. Должикова В. Д., Богданова Ю. Г. Влияние адсорбционных слоев полиэлектролитов на смачивание и модифицирование поверхности полистирола // Вестн. МГУ. Сер. 2. Химия. 2023. Т. 64. № 6. С. 549‒558 [Dolzhikkova V. D., Bogdanova Yu. G. Influence of adsorption layers of polyelectrolytes on the wetting and modification of the polystyrene surface // Mosсow Univ. Bull. Ser. Khim. 2023. V. 78. P. 331‒337. https://doi.org/10.3103/S0027131423060044].
  36. Bogdanova Yu. G., Antonova L. V., Silnikov V. N., Khanova M. Yu., Senokosova E. A., Barbarash L. S. Impact of modification on the energy characteristics of surfaces and matrix properties of the new effective polymer vascular implants // Key Eng. Mater. 2021. V. 899. P. 342‒354. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.899.342
  37. Берлин А. А., Басин В. Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1974. С. 15‒45.
  38. Карзов И. М., Алентьев А. Ю., Богданова Ю. Г., Костина Ю. В., Шапагин А. В. Связь энергетических характеристик межфазных границ волокно–связующее с прочностью полимерных композитов // Вестн. МГУ. Сер. 2. Химия. 2010. Т. 51. № 6. С. 462–469 [Karzov I. M., Alentʹev A. Y., Bogdanova Y. G., Kostina J. V., Shapagin A. V. Characteristics of the fiber-binder interface on polymer composite strength // Mosсow Univ. Bull. Ser. Khim. 2010. V. 65. N 6. P. 384–391. https://doi.org/10.3103/S0027131410060106].
  39. Karzov I. M., Bogdanova Y. G., Filimonov S. V., Shornikova O. N., Malakho A. P. Graphite laminated materials strength properties and energy characteristics of polymer binders // Eurasian Chem.Tech. J. 2016. V. 18. N 4. P. 311‒316. https://doi.org/10.18321/ectj474
  40. Богданова Ю. Г., Шапагин А. В., Костина Ю. В., Щербина А. А., Должикова В. Д., Черникова Е. В., Плуталова А. В. Влияние природы растворителя на адгезионные свойства пленок бинарных сополимеров стирола и н-бутилакрилата, сформированных поливом на твердые субстраты // Коллоид. журн. 2020. Т. 82. № 2. С. 133‒139 [Bogdanova Y. G., Shapagin A. V., Kostina Y. V., Shcherbina A. A., Dolzhikova V. D., Chernikova E. V., Plutalova A. V. The effect of solvent nature on the adhesive properties of binary styrene–n-butyl acrylate copolymer films formed by casting on solid substrates // Colloid J. 2020. V. 82. N 2. Р. 93‒99. https://doi.org/10.1134/s1061933x20020027].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences