Научные и технологические основы получения функциональных материалов и нанокомпозитов

In situ синтезированы эффективные, химически стабильные и технологичные в изготовлении целлюлозные матрицы из льняного волокна в микрокристаллической форме. Проведена химическая модификация целлюлозных матриц ацетатом меди из водных и водно-органических сред. Синтезированы углеродные нанокомпозиты, содержащие частицы нуль-валентной меди, оксида меди II и оксида меди I, а также их смеси. Изучено влияние структурно-химической модификации целлюлозной матрицы и условий проведения карбонизации на физико-химические свойства углеродной матрицы и нанокомпозитов, содержащих оксиды меди и нуль валентную медь. Установлена многогранная роль целлюлозных матриц заключающейся в том, что они: облегчают гомогенную и равномерную пропитку целлюлозы солями металлов из водных и водно-органических растворов; действуют как эффективный целлюлозный и углеродный носитель однородно диспергируемых солей металлов, наночастиц металлов и их оксидов, полученных в результате пиролиза в инертной среде; действуют в качестве восстанавливающего агента при карбонизации в инертной среде для превращения наночастиц оксидов металла в наночастицы металла. Показано, что целлюлозу, благодаря ее иерархической и многоуровневой организации, можно использовать для получения нанокомпозитов с воспроизводимыми свойствами. Исследование структуры и физико-химических свойств целлюлозных матриц и синтезированных углеродных наноструктур проведено методами рентгенографии, инфракрасной Фурье спектроскопии, электронной микроскопии, низкотемпературной адсорбции азота С использованием глубоких эвтектических растворителей (Deep Eutectic Solvents -DES) - смеси хлорида холина (ХХ) и щавелевой кислоты (ЩК) с разным соотношением ХХ:ЩК - получена нанокристаллическая целлюлоза (НКЦ) с размерами частиц 200-1000 нм, зарядом от -23 до -38 мВ, обусловленным карбоксильными группами, образовавшимися в процессе гидролиза. Соотношение компонентов ХХ:ЩК от 1:1 до 1:4 практически не влияет на характеристики получаемой НКЦ. По сравнению с классическим сернокислотным способом получения НКЦ использование DES имеет ряд преимуществ. DES не токсичны, биоразлагаемы, кроме того, существует возможность повторного использования компонентов DES. Полученная НКЦ не имеет сульфатных групп и поэтому не уменьшает термическую стабильность по сравнению с исходной целлюлозой. Установлена взаимосвязь динамических свойств трехкомпонентных композиций (бутилкаучук, пластификатор, неорганический наполнитель) с природой и количеством входящих в них компонентов. Установлено, что наилучшими вибродемпфирующими свойствами обладают армированные фольгой композиции на основе бутилкаучука, пластифицированные ПН-6 и наполненные мелом. В результате работы был получен устойчивый образец магнетитовой магнитной жидкости. В качестве добавки к магнитной фазе впервые был использован композит магнетита с восстановленным оксидом графена. Было проведено изучение закономерностей изменения свойств новой магнитной жидкости. Изучена удельная поверхность и определен размер частиц магнитной фазы. Исследованы физико-химические свойства магнитной жидкости. Определены: плотность, вязкость, намагниченность насыщения, удельная теплоемкость, проведен термогравиметрический анализ. На основании полученных данных было установлено, что небольшая добавка графена в процессе синтеза магнетита оказывает влияние на удельную поверхность магнитной фазы, термостабильность, вязкость и теплоемкость магнитной жидкости. Разработаны подходы для получения стержнеобразных и сферических фотокаталитически активных архитектур на основе диоксида титана, декорированного плазмонными наночастицами серебра, суперпарамагнитными частицами магнетита, а также фталоцианином кобальта, полиольным синтезом с применением в качестве органических растворителей этиленгликоля и ацетона. Установлено, что стержнеобразные нанокомпозиты обладают более высокой адсорбционной способностью по отношению к Родамину Б и большей фотокаталитической активностью, усиливаемой взаимодействием с частицами активаторов, чем сферические частицы аналогичного состава. Высокая темновая адсорбционная способность и фотокаталитическая активность полученных материалов позволяют предлагать их для очистки воды от красителей в сточных водах, дезинфекции воды и инактивации бактерий Пленочные композиты полистирол/бентонит/магнетит получены методом механического диспергирования частиц магнетизированной глины в матрице полистирола с последующей обработкой в воздушной плазме низкого давления. Методами инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и сканирующей электронной микроскопии изучено влияние плазмы на элементный состав и морфологию поверхности композита. Выявлено, что плазменная обработка приводит к значительному увеличению смачиваемости и сорбционной емкости композиционного материала по отношению к катионному красителю метиленовому голубому из водных сред. Разработаны условия синтеза и исследованы физико-химические и функциональные свойства новых лекарственных композитов оротовой кислоты на основе коллоидного диоксида кремния. Указанные материалы были получены в виде гидрогелей и ксерогелей. Выявлены закономерности влияние условий синтеза (концентрации катализатора, загрузки лекарственного вещества), а также химии поверхности матрицы диоксида кремния на физико-химические и реологические свойства гидрогелей, а также кинетику высвобождения лекарственного вещества. Показана перспективность применения гидрогелевых композитов диоксида кремния с оротовой кислотой в качестве основы для мягких лекарственных форм и косметических композиций, тогда как ксерогелевые композиты проявили неудовлетворительные фармакокинетические свойства. На основе экспериментальных исследований показана возможность плазменно-растворного синтеза наноматериалов на основе оксидов титана и цинка. Использование плазмы импульсного разряда между электродами, погруженными в воду, позволяет получать частицы ZnO, TiO2 со средними размерами 120 - 150 нм. Впервые осуществлен плазмохимический синтез смешанного оксида Zn/TiOx. Формирование наночастиц подтверждено методами динамического рассеяния света и просвечивающей электронной микроскопии. Полученные оксиды охарактеризованы методами рентгеновской дифракции, и сканирующей электронной микроскопии в сочетании с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией. В одностадийном процессе получен модифицированный оксидными наночастицами (ZnO, TiO2 Zn/TiOx) вискозный материал, который обладает антимикробными свойствами по отношению к бактериям E. coli, S. aureus, B. subtilis и грибам C. albicans. Найдено, что наиболее высокой антимикробной активностью обладает материал, содержащий 0,22 мас. % наночастиц Zn/TiOx. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых ранозаживляющих материалов. Впервые получены фотокатализаторы в виде биоморфных волокнистых Ti/Ce оксидов посредством биомиметической растворной технологии с использованием коротких льняных волокон (отход переработки льна) как биотемплата. В качестве прекурсора использованы растворы полигидроксокомплексов титана с малыми (3 и 5%) добавками Се. В целях интенсификации пропитки льняных волокон процесс выполняли в гидротермальных условиях, реализуемых в автоклаве. Установлено, что время фотокатализа красителя Родамина Б в присутствии образцов, синтезированных из гидроксокомплексов Ti с добавках Сe 3 и 5% сокращается в 2 и 4 раза, соответственно в сравнении с аналогичным биоморфным TiO2. Введение Сe в состав раствора-прекурсора и увеличение концентрации Се в нем сопровождается повышением степени нерегулярности поверхности кристаллитов в Ti/Ce оксидах в сравнении с TiO2. Добавки Сe улучшают поглощение UV light. В структуре Ti/Ce оксидов выявлено наличие Ce4+/Ce3+ пары, играющей важную роль в редокс-процессах, интенсифицирующих фотокатализ. В работе выявлены закономерности модификации биомассы для создания ассортиментного ряда сорбционных и фильтрующих материалов из отходов переработки льна. Препаративный синтез материалов осуществлен с помощью биохимического синтеза. Получены зависимости для описания влияния остаточного содержания в льняной пакле пектинов и гемицеллюлоз на величину сорбционной емкости по дизельному топливу, а также величины доминирующего диаметра мезопор на сорбцию дизельного топлива и машинного масла; оценен вклад пор субмикронного диапазона при поглощении паров бензина. Предложен подход к дифференцированной оценке вклада полиуглеводов и лигнина льняной ксилемы в кинетику и термодинамику сорбции паров пара- и орто-крезола. Выявлена комбинированная форма образования адсорбционных комплексов о-крезола на модифицированном лигнине с одновременным участием фенилпропанового звена полимера в донорно-акцепторных и стекинг-взаимодействиях с молекулой сорбата. Исследована солюбилизация лефлуномида, метотрексата и сульфасалазина нативным и полимерным β-циклодекстринами при 25 ºС. Выявлено, что полимерный β-циклодекстрин является более эффективным солюбилизатором сульфасалазина и лефлуномида по сравнению с нативным β-циклодекстрином. В случае с метотрексатом, добавлении природного β-циклодекстрина приводит к более существенному повышению растворимости лекарства в кислой среде, в то время как в щелочной среде солюбилизирующее действие β-циклодекстринов не проявляется. Изучено взаимодействие рассматриваемых лекарственных соединений с β-циклодекстринами с привлечением 1Н ЯМР спектроскопии. Доказано включение молекул сульфасалазина и лефлуномида в макроциклическую полость β-циклодекстрина. Во взаимодействии метотрексата с полимерным β-циклодекстрином участвует полярный фрагмент молекулы лекарства, способный к образованию водородных связей с гидроксильными группами β-циклодекстрина. Проанализировано влияние строения природного и полимерного β-циклодекстринов, а также pH среды на константы устойчивости комплексов и проявление солюбилизирующего эффекта. Установлено, что использование нативного и полимерного β-циклодекстринов для повышения противоревматических лекарственных соединений приводит к понижению коэффициентов проницаемости через модельную мембрану, что необходимо учитывать при прогнозировании биодоступности препаратов.