Наукові основи одержання композиційних металонаповнених кополімерів полівінілпіролідону та їх гідрогелів

Abstract

Дисертація присвячена розробленню основ технологій одержання нових матеріалів багатофункційного використання – композиційних металонаповнених кополімерів полівінілпіролідону з 2-гідроксіетилметакрилатом та композиційних гідрогелів на їх основі. Подано результати досліджень закономірностей синтезу металонаповнених композитів методами полімеризаційного наповнення з використанням порошків металів, хімічного відновлення металів в сітці гідрогелю, полімеризацією з одночасним хімічним відновленням металів. Досліджено вплив методу наповнення на формування структури і властивості гідрогелевих композитів та на цій основі встановлено режими синтезу матеріалів з прогнозованими характеристиками. Розроблені малотоннажні технології одержання металонаповнених кополімерів ПВП та виробів на їх основі, які пройшли успішне випробування і рекомендовані для використання як сорбційноздатні елементи давачів вологості сипких матеріалів, магнітні плівкові вироби для очищення стальних поверхонь від корозії, гідрогелеві срібловмісні плівки з антибактеріальними та фунгіцидними властивостями, плівкові аплікатори для магнітотерапії. Диссертация посвящена разработке основ технологий получения новых материалов многофункционального использования – композиционных металлонаполненных сополимеров поливинилпирролидона с 2- гидроксиэетилметакрилатом и композиционных гидрогелей на их основе. Представлены результаты исследований закономерностей синтеза металлонаполненных композитов методами полимеризационного наполнения с использованием порошков металлов, химического восстановления металлов в сетке гидрогеля, полимеризацией с одновременным химическим восстановлением металлов. Исследовано влияние метода наполнения на формирование структуры и свойства гидрогелевых композитов, в результате чего установлены режимы синтеза материалов с прогнозированными характеристиками. Разработаны малотоннажные технологии получения металлонаполненных сополимеров ПВП и изделий на их основе, которые прошли успешное испытание и рекомендованы для использования в качестве сорбционно способных элементов датчиков влажности сыпучих материалов, магнитных пленочных изделий для очистки стальных поверхностей от коррозии, гидрогелевых серебросодержащих пленок с антибактериальными и фунгицидными свойствами, пленочных аппликаторов для магнитотерапии. The dissertation is devoted to the development of basis for the production technologies of new multi-functional usage materials - composite metal-filled copolymers of polyvinylpyrrolidone (PVP) with 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA) and composite hydrogels on their basis. Such materials are characterized by combination of polymer matrix properties (sufficient strength, elasticity, sorption ability, biocompatibility with living organism) with metal filler’s properties (electrical conductivity, heat conductivity, heat resistance and magnetic properties). The regularities of synthesis, structure formation and properties of metal-filled copolymers of PVP are investigated through method of polymerization filling with dispersed metal powders and basis of their obtaining technology are developed. Metals-fillers with catalizing and inhibiting effect on polymerization have been detected. Co-polymerization at metals powders presence is used for obtaining of composite polymers and hydrogels in laboratory conditions at room temperature, without pre-purification from oxygen with adjustable formation time from 0,5 to 2 hours, with wide range of structure and properties – physical and chemical in solid and swollen states, electrical, magnetic, thermal and sorption ones. Electric resistance of materials is sensitive to changes in humidity, temperature, pH, pressure, content of little quantities of lowmolecular substances in solution. The carrying out of polymerization filling with ferromagnetic powders in permanent magnetic field has given the possibility to structure filler’s particles and obtain material with anisotropic electrical conductivity. A fundamentally new method of hydrogel films production by centrifugal formation is proposed and developed. Usage of such method supply the possibility of production of film materials with any predetermined thickness, multilayer, reinforced and filled with high surface quality and variation in thickness not exceeding 1%. The basic technological parameters of the centrifugal formation of hydrogel films are substantiated – the viability time of the composition, the formation temperature, the formation time, the frequency of the rotation of the form, the centrifugal force, the formation pressure. It is proved that the centrifugal formation of composite hydrogel films from metal-filled compositions is accompanied by the phenomenon of bulking of powder filler, the intensity of which increases with increasing the speed of cylindrical shape and the reduction of the viscosity of the initial composition – reducing the content of PVP and dilution of the solvent. The metal-filled materials obtained are characterized by anisotropy of physical and mechanical, electrical properties dependently on surface. On the basis of results of investigation of structural characteristics, sorption and permeability for low molecular weight substances, as well as chemical stability, the suitability of copolymers PVP with HEMA as matrices for chemical reduction of metals and metal-filled hydrogels on their basis has been proved. The optimal technological parameters of obtaining Ni-, Cu- and Ag-filled film hydrogels by the method of metal reduction in a polymer network are substantiated. The effect of polymer matrix structure on character of co-polymers filling with reduced metals particles and electrical properties of obtained composites is detected. Data obtained are considered as the basis for technology of formation of conducting co-polymers and hydrogels, which are characterized by high electrical conductivity with much less metal content comparatively to dispersed metal powders using. Physical and chemical basis of PVP-HEMA compositions polymerization with simultaneous chemical reduction of metal-filler particles are developed. It is defined that using of complex initiator, which consists of sulphate of iron (II) and benzoyl peroxide, provides the possibility of PVP-HEMA compositions polymerization at room temperature with maximum temperature of exothermy. Such temperature supplies the chemical reduction of metals that is the basis for development of energy-saving technology of metal-filled hydrogels obtaining with uniform structure in volume, increased electrical- and heat conductivity, magnetic properties, sorption ability. The low-tonnage technologies of metalfilled PVP co-polymers and articles on their basis production are developed. Such technologies had been successfully tested and recommended for using as sorption able elements of humidity sensors for bulk materials (ground, in particular), as magnetic film articles for metal surfaces cleaning from corrosion, hydrogel silver-containing films with antibacterial and fungicidal properties, film applicators for magnetotherapy.