Cравнительный анализ набухаемости гидрогелей синтезированных на основе карбоксиметилцеллюлозы

Adabiyotlar (37)

1. 1. Perelman F.M. Molibden va volfram / F. M. Perelman, darslik 1968. 140b.
2. 2. Noorganik moddalarning kimyoviy texnologiyasi:
3. 2. Darslik / T. G. Axmetov, R. T. Porfiryeva, L. G. Gaysin va boshqalar – ., 2002. 533b.
4. 3. T.A.Otaqo’ziyev, Q.Ahmerov S.M. Turobjonov. Umumiy kimyoviy texnologiya 1991 yil. 411b.
5. 4. G.K. Boreskov, A. A. Samaxov.Katalizatorlarni tanlash va ishlab chiqarishning ilmiy asoslari, Sat., tahrir., 1964. УДК: 661.728.8 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАБУХАЕМОСТИ ГИДРОГЕЛЕЙ СИНТЕЗИРОВАННЫХ НА ОСНОВЕ КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗЫ 1Муҳиддинов Б.Ф., 2Джалилов А.Т., 1Исроилов О.И., 2Ширинов Ш.Д. 1Навоийский государственный горно-технологический университет, 2Ташкентский научно-исследовательский институт химической технологии. Аннотация. Синтезированы гидрогели на основе КМЦ в присутсвии полиакриламида, акриламида и винилацетата. Исследованы набухаемости гидрогелей, поры в гидрогелях и влияние различных факторов на синтез гидрогелей. Определены оптималная температура и время реакции, концентрация мономеров и инициаторов. Исследованы набухаемость гидрогеля на основе КМЦ с ГОСТР59456-2021 5.9-методом. Ключевые слова: мономер, акриламид, персульфат аммония, акриловая кислота, температура, адсорбент, винилацетат, карбоксиметилцеллюлоза, гидрогел, полиакриламид. КАРБОКСИМЕТИЛЦЕЛЛЮЛОЗА АСОСИДА СИНТЕЗ ҚИЛИНГАН ГИДРОГЕЛЛАР БЎКУВЧАНЛИГИНИНГ ҚИЁСИЙ ТАҲЛИЛИ 1Муҳиддинов Б.Ф., 2Жалилов А.Т., 1Исроилов О.И., 2Ширинов Ш.Д. 1Навоий давлат кончилик ва технологиялар университети, 2Тошкент кимё технологиялари илмий-тадқиқот институти. Аннотация. КМЦ асосида полиакриламид, акриламид ва винилацетат иштирокида гидрогеллар синтез қилинди. Гидрогелларнинг бўкувчанлиги, гидрогеллар ғоваклари ва турли омилларнинг гидрогеллар синтезига таъсири ўрганилди. Оптимал ҳарорат ва реакция вақти, мономерлар ва инциаторларнинг концентрацияси аниқланди. ГОСТ Р 59456-2021 5.9-усули билан КМЦ асосидаги гидрогелларнинг бўкувчанлиги ўрганилди. Калит сўзлар: mономер, акриламид, аммоний персулфат, акрил кислота, ҳарорат, адсорбент, винилацетат, карбоксиметилцеллюлоза, гидрогел, полиакриламид. COMPARATIVE ANALYSIS OF THE SWELLING CAPACITY OF HYDROGELS SYNTHESIZED BASED ON CARBOXYMETHYLCELLULOSE 1Muhiddinov B.F., 2Djalilov A.T., 1Isroilov O.I., 2Shirinov Sh.D. 1Navoi state mining and technological university, 2Tashkent research institute of chemical technology. Abstract. Hydrogels based on CMC were synthesized in the presence of polyacrylamide, acrylamide, and vinyl acetate. The swelling behavior of hydrogels, the structure of pores within them, and the impact of various factors on their synthesis were investigated. The optimal reaction temperature, reaction time, monomer concentrations, and initiator concentrations were determined. The swelling capacity of the CMC-based hydrogel was studied according to GOST R 59456-2021, using the 5.9 method. Keywords: monomer, acrylamide, ammonium persulfate, acrylic acid, temperature, adsorbent, vinyl acetate, carboxymethyl cellulose, hydrogel, polyacrylamide. Введение. Гидрогели на основе природных полимеров благодаря своим уникальным биологическим свойствам и способности к биологическому разложению предпочтительны в качестве средств для удержания воды в почве. Обычно такие природные полимеры химически модифицируют с помощью виниловых мономеров, чтобы улучшить их способность впитывать и удерживать воду. Среди природных полисахаридов, используемых для получения гидрогелей, целлюлозосодержащие выделяются высокой способностью впитывать и удерживать воду, а также способствует росту растений. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025
6. Химия и химические технологии На сегодняшний день потребление пресной воды людьми превышает возможности природы по её восполнению через глобальный водный цикл. Другими словами, пределы устойчивого использования воды были превышены, что ставит под вопрос возможность считать воду возобновляемым ресурсом
7. [1]. Ежегодно из земли извлекается более четырёх триллионов м³ воды, из которых 70% используется в сельском хозяйстве[2]. Интенсивное потребление воды в сельском хозяйстве напрямую связано с продовольственной безопасностью, экономическим развитием и здоровьем населения. Учитывая, что 90% воды используется для орошаемого земледелия [3], повышение эффективности использования воды наряду с увеличением урожайности сельскохозяйственных культур является актуальной задачей, требующей решения. Традиционные методы орошения часто приводят к потерям воды через испарение, утечку и сток. Поэтому крайне важно внедрять стратегии, способствующие сохранению влаги в почве. С этой точки зрения, материалы на основе природных полимеров, способные впитывать и удерживать воду, представляют собой оптимальный вариант для эффективного использования воды в сельском хозяйстве
8. [4]. Гидрогели выполняют функцию небольшого водохранилища: они набухают при поливе почвы и постепенно высвобождают содержащуюся в них воду, когда почва высыхает. Состав гидрогелей играет решающую роль в их способности к ассимиляции воды и механизмах её поглощения. Гидрогели, состоящие из неионных гидрофильных полимеров, поглощают воду за счёт капиллярного действия и водородных связей между гидрофильными группами и молекулами воды. В отличие от них, гидрогели на основе ионных гидрофильных полимеров обладают высокой способностью к водопоглощению и демонстрируют три механизма поглощения воды: капиллярность, электростатическое отталкивание и осмос
9. [5]. Кроме того, тип и количество гидрофильных групп, а также степень сшивки в сети полимеров определяют способность гидрогелей к впитыванию воды
10. [6]. Полисахариды, такие как крахмал, хитозан, целлюлоза, натрий альгинат, благодаря своей биосовместимости и способности к биологическому разложению, использовались для создания гидрогелей
11. [7]. Однако они демонстрируют менее выраженные свойства поглощения и удержания воды по сравнению с синтетическими аналогами. Например, Ван и др. (2021) пришли полиакриловую кислоту к цепи карбоксиметилхитозана, что позволило гидрогелю достичь способности к поглощению воды в 1200 г/г, а срок удержания воды в почве составил от 8 до 14 дней. Гидрогели на основе КМЦ, особенно те, которые синтезированы с участием двух- и трехвалентных катионов, являются перспективными благодаря своим гелеобразующим свойствам, способности адаптироваться к различным pH-средам и доказанной эффективности в стимулировании роста растений. Разложение этого природного полимера в почве приводит к образованию олигосахаридов, которые способствуют прорастанию, удлинению ростков и стимулируют развитие корневой системы. Цель исследования. Основная цель данного исследования заключается в сравнительном анализе биологически разлагаемых гидрогелей на основе КМЦ, синтезированных для удержания воды и минеральных удобрений, способствующих росту растений в условиях нехватки воды. Объекты и методы исследования Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ): это растворимая форма целлюлозы, в молекулярной структуре которой карбоксильные группы делают полимерную цепь гидрофильной. Эти гидрофильные группы образуют водородные связи с молекулами воды, что обеспечивает способность гидрогеля к поглощению воды. В процессе синтеза гидрогелей на основе КМЦ добавление различных мономеров и наполнителей может изменить их свойства набухаемости. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025
12. Кимё ва кимёвий технологиялар Полиакриламид: это синтетический полимер, который часто используется для повышения набухаемости, обладает высокой гидрофильностью и способностью связывать молекулы воды. Акриламид: мономер с высокими гидрофильными свойствами, который усиливает жесткость полимерных цепей и их взаимодействие с молекулами воды. Винилацетат: это вещество придает гидрогелю определенные гидрофобные свойства, что влияет на его способность поглощать и сохранять большое количество воды. «Sorbi-Мeta Analyzer» - сертифицированный метод измерения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов в РФ и ряде стран CНГ, метрологически обеспечен аттестованными ГСО и поставляется с первичной метрологической поверкой. Измерения проводятся в автоматическом режиме и отображаются в реальном масштабе времени. Прибор прост в эксплуатации и компактен. Сосуд Дьюара, нагреватель, ампула с испытуемым образцом находятся внутри корпуса, что обеспечивает безопасность использования жидкого азота. Позволяет проводить одноточечный (экспресс) и многоточечный анализ удельной поверхности по методу БЭT (соответствует международным стандартам ASTM и ISO). Диапазон измерения удельной поверхности: от 0.1 м2/г до 2000 м2/г. Набухаемость. Распространенных метод анализа набухания гидрогеля это метод – взвешивания. Метод взвешивания заключается в сравнении массы гидрогеля до и после набухания. В этом случае коэффициент набухания массы, представляет собой отношение изменения конечной массы к начальной массе. Эксперимент проводился следующим образом:
13. 1. Из гидрогеля, предварительно высушенного до постоянной массы в вакуумной сушильной камере при температуре 70°C, отбирали навеску массой 1 г. Эту навеску помещали в 1 литр дистиллированной воды и оставляли на 24 часа для полного набухания.
14. 2. После завершения набухания гидрогель (обозначаемый как 𝑀2) извлекали из воды и фильтровали через нейлоновую сетку с размерами ячеек 0,1 мм. При этом образец удерживали на сетке до тех пор, пока с его поверхности полностью не удалялась вода. Затем проводился расчет способности гидрогеля к поглощению воды с использованием следующей формулы: где: Q – водопоглощаемость гидрогеля (г воды на 1 г сухого гидрогеля), 𝑀1– масса сухого гидрогеля (г), 𝑀2 – масса гидрогеля после набухания (г). Данная методика позволяет точно определить, сколько воды способен поглотить 1 г сухого гидрогеля после набухания в условиях эксперимента. Полученные результаты и их обсуждения. Синтезированы влияние природы мономера и полимера на степень набухаемости гидрогеля синтезированные на основе КМЦ, результаты которых представлены на рис.1. Рис.1. Влияние природы мономера и полимера на степень набухаемость гидрогеля синтезированные на основе карбоксиметилцеллюлозы. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025
15. Химия и химические технологии 230-кратная водоудерживающая способность была зафиксирована при добавлении полиакриламида. Поскольку это вещество обладает гидрофобными свойствами, его способность к адсорбции воды относительно низка. 800-кратная водоудерживающая способность была зарегистрирована для гидрогеля, синтезированного с акриламидом. Этот высокий показатель свидетельствует о сильном взаимодействии с молекулами воды и значительной способности удерживать воду. 340-кратная водоудерживающая способность была получена при добавлении винилацетата. Этот результат связан с его структурными характеристиками и средней способностью к адсорбции воды. Эти значения отражают различные химические свойства наполнителей и их взаимодействие с матрицей гидрогеля. Например, высокая водоудерживающая способность акриламида обусловлена его высокой гидрофильностью и сильным взаимодействием с молекулами воды. Способность гидрогелей к поглощению воды зависит от их цепочной структуры, химических свойств наполнителей и молекулярных взаимодействий. Акриламид, обладая большим количеством гидрофильных групп, демонстрирует высокую набухаемость. Гидрофобность винилацетата снижает этот показатель, однако его механическая стабильность может оказать положительное влияние на другие характеристики гидрогеля. Поры существенное роль играет в набухаемости гидрогеля. По этому определены значение поры синтезированных гидрогелей. Поры в гидрогелях, синтезированных на основе КМЦ и различных мономеров, были определены на приборе «Сорби-Мета Аналайзер», результаты представлены в табл.1. Таблица
16. 1. Влияние природы мономера и полимера на поры гидрогеля Удельный объем мономолекулярного слоя, НТД/г № Название гидрогеля Полная удельная поверхность, м²/г Константа БЭТ Набухаемос ть, раз
17. 1 КМЦ/АК/ПАА/Cr 18.27 ± 1.13 4.1945 мл 11.61 230
18. 2 КМЦ/АК/АА/Cr 9.75 ± 0.80 2.2388 мл 15.10 800
19. 3 КМЦ/АК/ВА/Cr 10.65 ± 0.46 2.4447 мл 11.06
20. Кроме того, в данном исследовании для получения гидрогелей с макро- и микропорами использовалось кислотное разложение натрия гидрокарбоната. В процессе разложения образовывался углекислый газ, который, выходя в атмосферу, способствовал формированию крупных пор. Хотя поры присутствовали во всех синтезированных гидрогелях, они различались по размеру. В целом набухаемость гидрогелей зависит от их состава, метода получения и размера пор. При больших размерах пор вода в результате осмотического процесса очень быстро проникает в центр матрицы. Исследованы влияние различных факторов на cинтез гидрогеля на основе КМЦ, результаты которых предсталены в табл.2. Таблица
21. 2. Влияние различных факторов на степень набухания гидрогелей, синтезированных на основе КМЦ и различных мономеров и полимеров Влияние различных факторов Степен набухания, раз Т, оС τ, мин [См],% [СJ],% № Названия гидрогеля
22. 1 КМЦ/АК/ПАА/Cr 99 150 14 9 230
23. 2 КМЦ/АК/АА/Cr 93 130 25 4 800
24. 3 КМЦ/АК/ВА/Cr 107 180 19 6
25. 340 Влияние различных факторов: T, °C – температура синтеза гидрогеля, τ, мин – продолжительность синтеза гидрогеля (в минутах), [См], % – концентрация мономера в реакционной смеси, [СJ], % – концентрация инициатора. “Развитие науки и технологий” Научно–технический журнал №1/2025
26. Кимё ва кимёвий технологиялар Высокая степень набухаемости (230 раз) объясняется низкими концентрациями мономера – винилацетата (14%) и инициатора (9%), которые влияют на процесс формирования полимерной структуры. Кроме того, уменьшенное содержание инициатора замедляет скорость реакции и снижает количество активных центров, что также способствует образованию менее сшитой и более рыхлой структуры полимера. Такая структура обладает большей гидрофильностью и способностью к значительному поглощению жидкости, что и обуславливает высокую степень набухаемости. Температура синтеза – 99°C, время реакции – 150 минут. Максимальная степень набухаемости (800 раз) достигается за счет высокой концентрации мономера – акриламида (25%), который способствует образованию множества гидрофильных участков, способных активно взаимодействовать с водой. При этом низкая концентрация инициатора (4%) замедляет процесс полимеризации, уменьшая количество точек сшивки в полимерной сети. Это приводит к формированию более рыхлой структуры с широкими межсеточными пространствами, что позволяет полимеру впитывать и удерживать значительные объемы жидкости. Такой баланс между количеством мономера и инициатора способствует достижению экстремально высокой степени набухаемости. Заключение. Исследованы влияние природы мономера и полимера на степень набухаемости гидрогеля синтезированные на основе карбоксиметилцеллюлозы. Установлено, что в присутствии акриламида степен набухаемость проявляет самый высокий и составляет 800 раз. Также определена поры синтезированные гидрогелей. Выявлены, корреляция между значениями поры и степенью набухаемости. Список литературы:
27. 1. Preeti Mehta,Monika Sharma,Meena Devi. Hydrogels: An overview of its classifications, properties, and applications. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials Volume 147, November 2023, 106145
28. 2. A. Boros, B. Gordos, D. Tőzsér. A bibliometric analysis-based literature review of the relationship between sustainable water management and green innovations in the agricultural sector. Heliyon, 10 (12) (2024), Article e33364
29. 3. Ayoub El Idrissi, Badr-eddine Channab, Younes Essamlali, Mohamed Zahouily. Superabsorbent hydrogels based on natural polysaccharides: Classification, synthesis, physicochemical properties, and agronomic efficacy under abiotic stress conditions: A review. International Journal of Biological Macromolecules Volume 258, Part 2, February 2024, 128909
30. 4. Li D, Chen K, Tang H, Hu S, Xin L, Jing X, He Q, Wang S, Song J. A Logic-Based Diagnostic and Therapeutic Hydrogel with Multistimuli Responsiveness to Orchestrate Diabetic Bone Regeneration. Adv Mater. 2022 Mar;34(11):e2108430. doi: 10.1002/adma.202108430
31. 5. Concepción G.G.,Yağmur U.,Zeynep G. D., Dimitrios K. Influence of Biochar-Reinforced Hydrogel Composites on Growth and Biochemical Parameters of Bean Plants and Soil Microbial Activities under Different Moisture Conditions.
32. 5 July 2024 / Revised:
33. 29 July 2024 / Accepted:
34. 15 August 2024 / Published:
35. 19 August 2024. doi.org/10.3390/agriculture14081405
36. 6. О.И. Исроилов, Б.Ф. Мухиддинов и др. Синтез и исследование свойств экологически чистого универсального супер абсорбирую-щего гидрогеля. Universum: технические науки: 2024. https://7universum.com/ru/nature/archive/item/ 18322
37. 7. О.И. Исроилов, Б.Ф. Мухиддинов, А.Т. Джалилов, Ш.Д. Ширинов, Г.А. Исроилова. ИКспектроскопические и термограви-метрические исследования гидрогелей, синтезированных на основе карбоксиметилцеллюлозы. Universum: технические науки : электрон. научн. 2024. DOI-10.32743/UniTech.2024.128.11.1876 Исроилов Олтинбек Ихтиёр ўғли — базовый докторант кафедры «Химическая технология» Навоийского государственного горного и технологического университета, тел.: (+99891)333-49-99, E-mail: isroilovoltinbek@gmail.com. “Фан ва технологиялар тараққиёти” Илмий–техникавий журнал №1/2025 109