Химия высоких энергий, 2020, T. 54, № 2, стр. 122-125

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Объектами исследования являлись базовые гели, которые отличались дозой облучения гелеобразователя. В качестве компонентов в полученных композициях использовались: 1) гелеобразователь – карбомер-140 (КРБ), модифицированный различной дозой γ-излучения; 2) увлажняющий компонент – глицерин; 3) нейтрализующий агент – триэтаноламин и деминерализованная вода.

Облучение гелеобразователя γ-лучами ⁶⁰Со проводилось на установке УНУ “Гамматок-100” ИПХФ РАН с мощностью дозы, равной 4 Гр/с при 300 К. Степень его влияния на структуру полимера оценивалась методом НПВО. ИК-спектры образцов регистрировали на инфракрасном Фурье-спектрометре “ИнфраЛЮМ ФТ-08”.

Реологические свойства разработанных гелей в зависимости от дозы облучения исследовались при температуре 25°С на ротационном вискозиметре REOTRON.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Для оценки степени влияния облучения на структуру КРБ методом НПВО были получены ИК-спектры γ-облученных образцов полимеров (рис. 1). Исследование показало, что ИК-спектры необлученного КРБ (рис. 1а) и после облучения γ-лучами различной дозы (рис. 1б, 1в) схожи между собой. После радиолиза полимера сохраняются: интенсивная полоса поглощения при 1700 см^–1, что характерно для валентных колебаний связей С=О; средней интенсивности при 1180 см^–1 и 1230 см^–1 – это валентные колебания С–О-связей. Слабые полосы наблюдаются при 2910 см^–1 и 1410 см^–1, что соответствует слабым валентным колебаниям С–Н- и деформационным колебаниям С–ОН-связей [13]. При этом наблюдается изменение относительной интенсивности перечисленных полос поглощения в зависимости от дозы облучения, что свидетельствует о протекании некоторых деструктивных процессов полимера при его облучении. Чем больше доза облучения, тем более выражены эти изменения.

Методом ротационной вискозиметрии в режиме контролируемой скорости сдвига были исследованы реологические свойства и степень структурированности гелей, приготовленных с использованием КРБ с различной дозой предварительного γ-облучения и рецептурой гелевой композиции (табл. 1).

На вид все приготовленные образцы представляют собой однородные и прозрачные гелевые системы, но характеризуются различной вязкостью. Значения водородного показателя рН всех гелей находятся в пределах, установленных ГОСТ 31695-2012.

Зависимости скорости сдвига и вязкости от напряжения сдвига для данных систем представлены на рис. 2 и 3 соответственно.

Анализ кривых течения и вязкости показал, что гелевые системы с необлученным полимером и с полимером, облученным различными дозами γ-излучения, являются неньютоновскими вязкопластичными жидкостями, для которых характерно асимптотическое уменьшение вязкости до минимального значения при увеличении скорости сдвига.

Важными параметрами, характеризующими структурированность и прочность гелей, являются пределы текучести: 1) τ₀ – статический минимальный (первый) предел текучести, характеризующий возникновение процесса разрушения структурной сетки; 2) τ_0д – динамический (предел текучести по Бингаму), определяемый на прямолинейном участке кривой. Полученные экспериментальные данные были аппроксимированы уравнением Гершеля–Балкли, описывающим вязкопластичное течение систем [14]:

где τ₀ – статический предел текучести (Па); K – коэффициент консистенции (Па ∙ с); $\dot {\gamma }$ – скорость сдвига (с^–1); n – индекс течения системы.

Временные характеристики систем (время релаксации и т.д.), необходимые при практическом применении полимерных гелей, были рассчитаны по уравнению [15]:

где η₀ – ньютоновская вязкость при $\dot {\gamma }$ → 0; η_∞ – ньютоновская вязкость при $\dot {\gamma }$ → ∞; λ – время релаксации геля; m – эмпирическая величина.

В соответствии с проведенными расчетами в табл. 2 представлены основные структурно-механические характеристики полимерных гелей на основе γ-облученного карбомера.

Из табл. 2 следует, что предварительное γ-облучение КРБ препятствует формированию им прочного гелевого каркаса для композиции. Это выражается в снижении значений реологических характеристик гелей на основе модифицированного полимера по сравнению с системами с исходным КРБ. Не так критично уменьшение данных параметров в случае облучения карбомера дозой 70 кГр – предел текучести τ_0д снижается в 1.5 раза, динамическая вязкость η – в 1.8 раз. Также уменьшается время релаксации гелей, что является положительным моментом для их практического использования в связи с ускорением восстановления структуры после приложенной нагрузки. Дальнейший рост дозы облучения до 300 кГр вносит более существенные изменения в пространственную гелевую сетку – τ_0д снижается в 2.5 раза, а η в 2.4 раза, что является нежелательным. Значения структурно-механических параметров для гелей с 700 кГр значительно не отличаются от таковых для 300 кГр.

Индекс течения всех исследуемых систем практически не зависит от дозы облучения полимера и имеет значения меньше единицы (n = 0.32–0.33), что указывает на их принадлежность к неньютоновским жидкостям, к классу которых изначально и были отнесены эти композиции.

В образцах КРБ, облученных различной дозой γ-излучения прослеживается взаимосвязь между уменьшением в ИК-спектрах интенсивности полос поглощения связей, составляющих СООН-группу полимера, и снижением структурно-механических характеристик гелей. Как известно [16], наибольший вклад в процесс набухания гелеобразователя и его распределения по всему объему растворителя, вносит именно карбоксильная группа. Видимо, снижение степени структурирования полученных гелей при повышении дозы предварительного γ‑облучения КРБ может быть связано с изменением состояния СООН-групп полимера и уменьшением полиэлектролитного эффекта.

Таким образом, на основании реологических исследований и ИК-спектроскопии можно прийти к выводу, что оптимальным гелеобразователем для получения устойчивых гелей антибактериального назначения является карбомер, облученный γ-лучами дозой 70 кГр.