Результаты и их обсуждение

Полимеризация стирола в присутствии функциональных КО ПАВ Данная работа была проведена совместно со Злыдневой Л.А.

Волкова Е. В. Разработка полистирольных микросфер для имунофлуоресцентного анализа/Е.В. Волкова, И. А. Грицкова, С. А. Гусев, А. Д. Лукашевич, А. А. Гусев, Е. Н. Левшенко, Л. А. Злыднева, К. О. Сочилина // Биотехнология. — 2012. № 4. С.74−77.

В качестве носителей биолигандов при производстве диагностических тест-систем, работающих по принципу реакции РЛА, применяются полимерные микросферы со средним диаметром от 0,3 до 6мкм. К полимерным суспензиям предъявляются жёсткие требования:

• 1) Узкое распределение частиц по размерам
• 2) Устойчивость при иммобилизации биолигандов
• 3) Наличие на поверхности функциональных групп, способных ковалентно связываться с функциональными группами биолигандов.
• 4) Устойчивость при хранении

Полимерные суспензии для использования в биотехнологии синтезируют методами различными методами гетерофазной полимеризации. Основной проблемой при их получении является определение условий получения частиц заданного диаметра с узким РЧР. Наиболее часто используют микросупензионную, дисперсионную и затравочную полимеризацию.

Для получения частиц с размерами до 1,5 мкм была использована полимеризация стирола в присутствии водонерастворимых функциональных кремнийорганических ПАВ, несовместимых с образующимся в процессе полимеризации полимером. Их отличительной чертой является то, что они образуют прямую эмульсию типа «масло в воде». В данном исследовании были использованы кремнийорганические олигомеры, содержащие функциональные группы в органическом заместителе у атома кремния на обоих концах полимерной цепи: аминопропильные, карбоксидецильные и глицидоксипропильные. Известно {ссылка} что эти ПАВ обладают гораздо более высокой эффективностью по сравнению с традиционными органическими ПАВ.

В настоящей работе для синтеза полимерных суспензий применялись синтезированные кремнийорганические гемини-ПАВ следующего строения:

б, щ-бис [10-карбоксидецил] полидиметилсилоксан (KC (COOH)):

где Me = CH3-, n=30.

б, щ-бис[3-глицидоксипропил] полидиметилсилоксан (КС (CHOCH2)):

где Me =CH3-, n=30.

Таблица 3.1.1. Растворимость кремнийорганических ПАВ в воде и мономере.

ПАВ.	Растворимость, % (t=20°С).
Вода.	Стирол.	Метилметакрилат.
KC (COOH) n=30.		34,50.	Неограниченно растворяется.
KC (CHOCH2) n=30.		24,20.	Неограниченно растворяется.

Из данных, приведенных в таблице 3.6, видно, что все они нерастворимы в водной фазе и растворимы в мономере и образуют прямуюэмульсию «масло в воде» .

На рисунке 3.1. приведены изотермы межфазного натяжения, полученные для кремнийорганических ПАВ.

Видно, что изотермы межфазного натяжения зависят от природы функциональных групп. Рассчитанные коллоидно-химические характеристики приведены в таблице 3.1.2.

Таблица 3.1.2. Коллоидно-химические характеристики поверхностно-активных веществ.

№.	ПАВ.	у1.2, мДж/мІ.	Гмакс· 106, моль/мІ.	G, мН· мІ/моль.	S0, Е2.	д · 109, м.
	КС (COOH) n=30.	28,1.	2,79.	4,60.	59,5.	7,96.
	KC (CHOCH2) n=30.	18,9.	2,08.	16,7.	79,9.	5,49.

Основным выводом проведенных исследований является то, что все кремнийорганические вещества являются поверхностно-активными, а, следовательно, могут быть использованы в качестве стабилизаторовпри синтезе полимерных суспензий методом гетерофазной полимеризации.

Исходные эмульсии мономеров в присутствии исследуемых кремнийорганических ПАВ не устойчивы и расслаиваются после прекращения перемешивания. Однако, при добавлении полимера, растворимого в мономере, эмульсии становятся устойчивыми.

Исследования были начаты с изучения кинетических закономерностей полимеризации стирола в присутствии синтезированных кремнийорганических ПАВ. Полимеризацию проводили в условиях, обычно используемых для синтеза полимерных суспензий, применяемых в биотехнологии: объемное соотношение фаз 1:9, концентрация персульфата калия (ПСК) 1 мас. % в расчете на мономер, концентрация ПАВ 1 мас. % в расчете на мономер, Т=80±0,5?С.

На рисунке 3.5 приведены кривые конверсия-время, полученные в присутствии всех исследуемых гемини-ПАВ. Видно, что вид кинетической кривой соответствует обычно наблюдаемой при гетерофазной полимеризации. Скорости полимеризации для кривых 1−3 практически не отличаются и намного превышают скорость полимеризации в массе (кривая 4). Полная конверсия мономера достигается за 5 часов.

На рисунке 3.6 приведены микрофотографии полистирольных микросфер и гистограммы распределения их по размерам. Все синтезированные полимерные суспензии устойчивы в процессе синтеза, но существенно отличаются по значениям диаметров и молекулярных масс. Из таблицы 3.1.3. видно, что в присутствии карбоксили эпоксидсодержащего ПАВ образуются полистирольные микросферы с диаметрами 0,55 и 0,70 мкм с узким распределением частиц по размерам.

Таблица 3.1.3. Характеристики полистирольных суспензий, синтезированных в присутствии функциональных кремнийорганических ПАВ.

ПАВ.	d, мкм.	ж, мВ.	Dw / Dn.	Mз · 10−5.	Содержание коагулюма, %.	Устойчивость в KCl, M.
KC (CHOCH2).	0,70.	— 34,7.	1,018.	1,62.		0,25.
КС (COOH).	0,55.	— 36,7.	1,014.	0,31.		0,20.

Изменение диаметров частиц полимерной суспензии в процессе полимеризации стирола в присутствии эпоксиди карбоксилсодержащего ПАВ приведены в таблицах 3.10 и 3.11.

Микрофотографии частиц и гистограммы распределения их по размерам, полученных на разных стадиях полимеризации стирола в присутствии карбоксили эпоксидсодержащего ПАВ, показаны на рисунке 3.7. Видно, что на ранних стадиях конверсии мономера наблюдается узкое распределение частиц по размерам, и диаметры частиц практически не меняются с увеличением конверсии мономера.

Таблица 3.1.4. Характеристики полистирольных суспензий, стабилизированных КС (СНОСН 2) на разных стадиях конверсии мономера.

Конверсия стирола, %.	d, мкм.	Dw / Dn.	о, мВ.	Содержание коагулюма, %.	Устойчивость в KCl, M.
	0,53.	1,035.	— 42,2.		0,15.
	0,57.	1,029.	— 39,4.		0,20.
	0,59.	1,025.	— 37,3.		0,20.
	0,65.	1,020.	— 35,9.		0,25.
	0,70.	1,018.	— 35,2.		0,25.

Таблица 3.1.5. Характеристики полистирольных суспензий, стабилизированных КС (СOОН) на разных стадиях конверсии мономера.

Конверсия стирола, %.	d, мкм.	Dw / Dn.	о, мВ.	Содержание коагулюма, %.	Устойчивость в KCl, M.
	0,34.	1,032.	— 41,8.		0,15.
	0,35.	1,039.	— 39,0.		0,15.
	0,40.	1,027.	— 37,1.		0,20.
	0,45.	1,015.	— 36,5.		0,20.
	0,50.	1,014.	— 36,1.		0,25.

Рис. 3.1.6. Микрофотографии полистирольных частиц и гистограммы распределения их по размерам, полученные в присутствии 1 мас. % KC (COOH) на разных стадиях конверсии стирола: 1) 20%, 2) 100%.

Одним из основных параметров, влияющих на размер частиц полимерной суспензии, является объемное соотношение мономер/водная фаза. На рис. 3.8 на примере эпоксиди карбоксилсодержащего ПАВ приведены кинетические кривые конверсия-время, полученные при различных объемных соотношениях фаз.

А.

Б.

Видно, что с увеличением концентрации стирола скорость полимеризации снижается. Полная конверсия мономера достигается за 4−5 часов. Микрофотографии и гистограммы распределения полистирольных частиц по размерам и по о-потенциалам, полученные в присутствии эпоксиди карбоксилсодержащего ПАВ при разных объемных соотношениях стирол-вода, приведены на рисунке 3.9.

Таблица 3.1.6. Характеристики полистирольных суспензий, стабилизированных КС (CHOCH2) и КC (COOH) при различном объемном соотношении фаз.

ПАВ.	Объемное соотношение фаз.	d, мкм.	Dw / Dn.	о, мВ.	Мз· 10−5.	Содержание коагулюма, %.	Устойчивость в KCl, M.
КС (CHOCH2).	1:9.	0,70.	1,018.	— 35,2.	3,10.		0,25.
1:6.	0,86.	1,023.	— 34,7.	2,39.		0,25.
1:4.	1,10.	1,035.	— 30,2.	1,75.		0,15.
КC (COOH).	1:9.	0,55.	1,015.	— 36,7.	4,20.		0,20.
1:6.	0,73.	1,086.	— 33,5.	3,26.		0,20.
1:4.	0,80.	1,021.	— 31,9.	2,49.		0,15.

Из таблицы 3.1.6. видно, что с увеличением концентрации мономера диаметр частиц увеличивается до 1,1 мкм, при этом сохраняется узкое распределение частиц по размерам. При дальнейшем увеличении концентрации мономера устойчивость реакционной системы уменьшается.

На рис. 3.8−3.9 приведены микрофотографии частиц полистирольных суспензий и гистограммы распределения их по размерам, полученных при различном соотношении стирол/водная фаза.

Известно, что при гетерофазной полимеризации малорастворимых в воде мономеров при увеличении концентрации персульфата калия, обычно используемого в качестве инициатора, скорость полимеризации увеличивается (в степени 0,5), молекулярные массы уменьшаются в степени обратно пропорционально степени 0,5. Кинетические зависимости полимеризациистирола при разных концентрациях инициатора представлены на рисунках 3.10.

а.

б.

Таблица 3.1.7. Характеристики полистирольных суспензий, стабилизированных KC (CHOCH2) и KC (COOH) в присутствии различных концентраций ПСК, мас. % в расчёте на мономер.

ПАВ.	Концентрация ПСК, %.	d, мкм.	о, мВ.	Dw / Dn.	Vn · 107, моль/ л· с.	Содержание коагулюма, %.	Mз · 10−5.	Устойчивость в KCl, M.
KC (CHOCH2).	0,5.	0,67.	— 7,6.	1,010.	1,45.	;	5,13.	0,25.
	0,59.	— 35,2.	1,018.	1,59.	;	1,62.	0,25.
	0,78.	— 41,0.	1,011.	4,79.	;	0,80.	0,25.
KC (COOH).	0,5.	0,43.	— 30,1.	1,036.	5,08.	;	4,10.	0,20.
	0,5.	— 36,7.	1,014.	6,68.	;	1,70.	0,20.
	0,53.	— 39,5.	1,019.	12,05.	;	0,87.	0,20.

Рис. 3.1.11. Микрофотографии частиц полистирольных суспензий и гистограммы распределения их по размерам, полученных при различных концентрациях ПСК в присутствии KC (CHOCH2): 1) 0,5%; 2) 2,0%

Влияние природы инициатора на скорость полимеризации, средние размеры частиц и распределение их по диаметрам было предсказуемым: в присутствии персульфата калия (ПСК) эффективность инициирования и скорость полимеризации выше, чем в присутствии динитрилаазоизомасляной кислоты (ДАК) и перекиси бензоила (ПБ). В таблице 3.14 показаны характеристики полистирольных суспензий, синтезированных в присутствии инициаторов различной природы на примере карбоксилсодержащего ПАВ.

Таблица 3.1.8. Характеристики полистирольных суспензий, полученные в присутствии 1 мас. % KC (COOH) в присутствии 1 мас. % инициаторов различной природы, T=70°C.

Инициатор	d, мкм.	ж, мВ.	Dw / Dn.	Содержание коагулюма в суспензии, %.	Устойчивость в КCl, М.
ДАК.	0,67.	— 21,3.	1,028.		0,20.
ПБ.	0,70.	— 20,4.	1,037.		0,20.
ПСК.	0,65.	— 21,7.	1,045.		0,20.

Частицы полистирольных суспензий характеризуются узким распределением по размерам, их диаметр составляет 0,65, 0,67 и 0,70 мкм, соответственно. Зависимости скорости полимеризации и молекулярной массы полимеров от концентрации маслорастворимых инициаторов близки к обычной, наблюдаемой для радикальной полимеризации. Микрофотографии полистирольных частиц и гистограммы распределения их по размерам приведены на рисунке 3.13.

Влияние концентрации ПАВ на кинетические закономерности полимеризации изучали, изменяя его концентрацию от 0,1 до 5,0 мас. %. На рисунке 3.14 приведены кривые конверсия-время, полученные при приполимеризации стирола в присутствии различных концентрацийэпоксиди карбоксилсодержащего ПАВ при прочих равных условиях.

а.

б.

С увеличением концентрации ПАВ до 5 мас. % скорость полимеризации снижается, а молекулярная масса полимера увеличивается. Такой характер влияния ПАВ на кинетические закономерности полимеризации стирола по-видимому связан со снижением диспергирования мономера с увеличением вязкости межфазного слоя, препятствующего диффузии концевых функциональных групп полимера к границе раздела фаз. При всех концентрациях ПАВ сохраняется узкое распределение частиц по размерам.

Из графика, представленного выше, отчётливо видно, что наибольшего значения молекулярная масса образующегося полимера достигает в среде трет-бутилового спирта, в то время как для ряда метанол-этанол наблюдается монотонная зависимость. Это объясняется тем, что трет-бутанол, по сравнению с метанолом, этанолом и изопропанолом, является плохим передатчиком цепи.

ПАВ.	Концентрация ПАВ, %.	d, мкм.	о, мВ.	Dw/Dn.	Vn· 107, моль/ л· с.	Содержание коагулюма, %.	Mз· 10−5.	Устойчивость в KCl, M.
KC (CHOCH2).	0,1.	0,61.	— 35,6.	1,041.	;			0,10.
0,5.	0,60.	— 35,9.	1,027.	;			0,20.
	0,59.	— 37,1.	1,018.	1,59.		1,61.	0,25.