книги из ГПНТБ / Измайлова В.Н. Структурообразование в белковых системах

Рис. 5. Схема прибора для определения статического напряжения сдвига межфазных слоев

Рис. 6. Кинетика развития деформации сдвига при действии постоянного напряжения (Р = const) и спада деформации после разгрузки

I — в упругой области при Р = P i < Р I I — в области остаточных деформаций (исинного течения) при Р = Р г > Р к

Полное исследование реологических свойств адсорбционных слоев белков и полимеров на жидких границах проводилось нами [77] с помощью методов, разработанных ранее для исследования объемных структурированных коллоидных систем на основе представлений, развитых одним из авторов книги 178, 79] и опи­ сывающих реологическое поведение этих систем, а также тонких слоев [80].

Измерение кинетики развития деформации сдвига е = е (т)р при постоянном заданном напряжении Р и кинетики обратного

170

В зависимости от величины нагрузки получаются кривые двух ти­ пов (I и II), показанные на рис. 6.

I — при Р <^Р h (Pk —предел упругости или предел теку­ чести) кинетика развития деформации ограничивается упругим последействием к достигает предела, который далее сохраняется постоянным; при этом вся развившаяся деформация является об­ ратимой и после разгрузки постепенно спадает до нуля.

II — при Р P h кривые обнаруживают непрерывное на­ растание остаточной деформации с переходом к стационарному течению, после того как упругое последействие в потоке завер­ шено. Скорость деформации стремится к наименьшему постоян­ ному значению. Разгрузка, произведенная в любой точке кривой после достижения стационарности, показывает, что остаточная деформация нарастает с той же постоянной скоростью.

При высоких нагрузках кривые е (т) приобретают S-образный вид, что свидетельствует о появлении в структуре деформаций разрушения.

Из измерений кинетических зависимостей деформаций, по­ лученных в области неразрушенных структур, определены ос­ новные эластично-вязкостные характеристики слоев:

1.Модуль быстрой эластической деформации E 1S — Р /г0 оп­ ределялся по величине условно-мгновенной деформации е0, из­ меренной в первые секунды после наложения нагрузки. Условно­ мгновенные деформации е0 не зависят от Р почти до его значения, соответствующего разрушению структуры при данном реяшме деформации. Следовательно, условно-мгновенные деформации е0 растут пропорционально Р по закону Гука и для них отсутствует понятие о пределе упругости.

2.Модуль медленной эластической деформации E.2s = P/(em—

—е0) определялся из значений предельной эластической дефор­

по равновесному наибольшему значению полной деформации ет , исчезающей после разгрузки. Предельная эластическая де­ формация гт для кривых типа II определяется по отрезку, от­ секаемому на оси ординат продолжением прямолинейного участка кривой течения.

4. Вязкость упругого последействия *П2S определялась по наибольшей начальной скорости развития деформации с учетом наименьшей скорости деформации, соответствующей течению

^ “ ( * / * ) m a x - ( * / Л > т т '

5. Вязкость T]2s характеризует период упругого последейст­ вия 02 = r\2s/E2s, который определяется отрезком, отсекаемым на­ чальной касательной на асимптоте е = гт при Р P k-

6. Истинная (релаксационная) вязкость г] вычислялась в ус­ ловиях стационарного потока по наклону конечного линейного

171

т. е. мерой эластичности служит доля высокоэластической де­ формации в общей обратимой части деформации.

И . Изучение кинетики установления стационарного течения,

т. е. изменения напряжения сдвига во времени с ростом вели­ чины деформации при постоянной скорости сдвига г = const или приближенно при постоянстве скорости вращения внешнего цилиндра (столика с сосудом). Метод обычно называют методом

й= const.

Вкаждом опыте вращение столика продолжали до тех пор, пока возра­ стание крутящего момента нити не приводило к разрушению межфазного слоя при напряжении, соответствующем предельному его значению Р23.

Для определения Р2> использовали диски из оптического стекла диаметром 30 мм, толщиной 4 мм и вольфрамовые нити диаметром 0 ,0 5 —0,2 мм. Вы­

числение предельного статического напряжения сдвига проводили следую­

тового зайчика к моменту максимального смещения диска, см; R i — радиус стеклянного диска, см\ п — коэффициент перевода угловых градусов в сан­

тиметрах шкалы.

При работе с постоянными величинами диаметров нити и диска, а так­

Межфазная прочность Ps относится к линейному сантиметру слоя и

полной его толщине.

В работе применяли упругие вольфрамовые нити со следующими кон­ стантами:

Точность измерения зависит от диаметра проволоки (для проволоки диа­ метром 0,2 мм ошибка лежит в пределах 5 —6 % , для диаметра 0,1 мм ошибка

равна 6 ,5 % ) .

Взависимости от соотношения времени релаксации системы

искорости вращения получаются кривые, постепенно достигаю­

172

щие постоянства Р = Ps, или с более или менее ярко выражен­ ным максимумом.

Задавая различные скорости вращения, можно получить за­ висимость (deldx) от (Ps), т. е. кривую установившегося тече­ ния или полную реологическую кривую, позволяющую рассчи­ тать зависимость эффективной вязкости от напряжения сдвига или от скорости деформации в установившемся потоке.

На рис. 7, а и б приведены характерные реологические кривые ё (Ps) и lgt) (Ps) для жидкообразных и твердообразных систем

Рис. 7. Схемы кривых течения и эффективной вязкости жидкообразных (а) и твердообразных (б) систем

Жидкообразные системы обладают свойствами идеально уп­ ругохрупких тел по отношению к силовым воздействиям, время которых значительно меньше периода истинной релаксации. При любом постоянном напряжении сдвига, время действия которого превышает периоды релаксации, в таких жидкообразных систе­ мах устанавливается стационарное течение.

У твердообразных систем при достаточно малых напряжениях сдвига ниже предела упругости, совпадающего с пределом теку­ чести, не наблюдается течения, т. е. развития остаточных дефор­ маций. В твердообразных системах наблюдается резко выражен­ ный скачок эффективной вязкости в зависимости от напряжения при переходе через предел упругости (текучести) P k. Этот ска­ чок, локализованный в узком интервале напряжений сдвига, соответствует переходу вязкости от практически бесконечно большого значения до легко измеримых сравнительно низких значений вязкости выше предела текучести.

Однако система может быть условно твердообразной. В таких системах при малых напряжениях сдвига наблюдается область постоянной и высокой предельной вязкости. Далее вязкость па­ дает постепенно с возрастанием степени разрушения структуры в установившемся потоке и очень резко уменьшается, приближаясь к значению наименьшей предельной вязкости.

173

дельных линейных участков реологической кривой течения. Ве­ личины вязкостей первого (ц0) и третьего (т)т ) линейных участков определяются из уравнения Ньютона [см. выражение (2)].

Для твердообразных систем (см. рис. 7, б) появляется новая начальная условно-упругая область при Р < ^Р к, в которой наи­ большая предельная вязкость т]0 практически бесконечно велика

где P hi — предел текучести, и второй пластической вязкости — бингамовской

где P ht — второй предел текучести.

Область же ньютоновской вязкости предельно разрушенной структуры (р = х\т = const) у твердообразных систем может отсутствовать вследствие того, что наступает разрыв сплошности.

Для характеристики свойств системы помимо других парамет­ ров большое значение имеют величины разрывных (предельных) деформаций ег, соответствующих разрывному напряжению РТ, измеряемому по максимуму кривых Р (е), и в особенности макси­ мальное ее значение егпг, характеризующее эластичность системы.

При применении метода Q = const величина деформации е может быть вычислена в процентах относительного сдвига [811:

ный подвесной системой (внутренним цилиндром); Ri и Т?2 — радиусы диска и сосуда.

Метод ё (или Q) имеет преимущество по сравнению с методом исследования кинетики развития деформаций для больших на­ пряжений в том, что стационарное течение устанавливается зна­ чительно быстрее путем задания с самого начала опыта той посто­ янной скорости, которой соответствует определенная скорость разрушения структуры.

174

Однако первый метод ценнее тем, что он позволяет в общем слу­ чае определить все основные характеристики структурно-меха­ нических свойств системы.

СВОЙСТВА МЕЖФАЗНЫХ АДСОРБЦИОННЫХ СЛОЕВ ЖЕЛАТИНЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ВРЕМЯ ЖИЗНИ УГЛЕВОДОРОДНЫХ КАПЕЛЬ

Определение прочности межфазных адсорбционных слоев желатины методом статического напряжения сдвига

Из всех применяющихся в настоящее время методов измерения структурно-механических свойств межфазных адсорбционных сло­ ев задаче исследования кинетики развития межфазных адсорб­ ционных слоев наиболее соответствовал метод определения пре­ дельного напряжения сдвига, позволяющий по одной из механи­ ческих характеристик исследовать развитие структуры на жидких границах во времени.

Поверхностные свойства желатины изучались в ряде работ [82, 83], но все эти исследования разрознены и их трудно сравни­ вать. Систематическое исследование механических свойств меж­

подробно обсуждаются в этом разделе. Представлены результаты исследований кинетики возникновения прочности межфазных слоев желатины и влияния на скорость нарастания прочности концентрации желатины, температуры, pH, ионной силы, до­ бавок различных углеводородов, денатурирующих добавок и т. д.

Межфазная прочность желатины определялась как на границе с воздухом, так и на границе с углеводородом. На рис. 8 пред­ ставлена кинетика нарастания межфазной прочности водных растворов желатины на границе с воздухом и бензолом при 20° С. Прочность межфазных слоев желатины на границе с бензолом на 3 порядка выше, чем на границе с воздухом. С увеличением кон­ центрации желатины в растворе (рис. 9) межфазная прочность повышается, что может быть связано с увеличением числа меж­ молекулярных контактов в адсорбционном слое и увеличением его толщины.

Прочность межфазных адсорбционных слоев желатины Р»

175

ная прочность 2 дин1см) образует адсорбционные слои с прочнос­ тью приблизительно 130 Г1см2 [86]. Это соответствует, по нашим измерениям, объемной прочности на сдвиг геля желатины при концентрации 15 г/100 мл. Следовательно, обнаруживается глу­ бокая аналогия между развитием пространственной структуры желатины в объеме и на границе раздела фаз. Есть основания считать, что двумерная структура межфазного слоя желатины, так же как и в объеме, образуется вследствие выделения новой фазы и образования контактов сцепления.

При 20° С и ниже в водных растворах молекулы желатины образуют коллагеноподобные тройные спирали и агрегаты в объеме, поэтому при изучении межфазных адсорбционных слоев может возникнуть некоторая неопределенность при трактовке полученных результатов на молекулярном уровне. Для исклю­ чения дополнительных факторов при изучении межфазной проч­ ности опыты проводились и при 40° С, когда молекулы желатины находятся в конформации статистического клубка. Результаты, полученные нами, показывают, что межфазная прочность на гра­ ницах водный раствор желатины/воздух (рис. 10, а) или раствор желатины/бензол (рис. 10, б) при 40° С также растет со временем, однако при этой температуре не наблюдается больших различий во времени достижения предельных значений при увеличении концентрации желатины.

Нарастание межфазной прочности адсорбционных слоев же­ латины на границе с бензолом от 0,5 до 2 дин/см с увеличением концентрации желатины в растворе от 0,1 до 1 г/100 мл и после­ дующее менее резкое нарастание прочности при концентрациях желатины от 3 до 4 г/100 мл, вероятно, связано с образованием адсорбционных слоев различной толщины. Однако при всех кон­ центрациях образование адсорбционных слоев включает стадии адсорбции макромолекул, их ориентации и возникновения боль­ шого числа межмолекулярных связей.

Адсорбционный слой на границе водный раствор желатины/ /воздух также обладает прочностью, хотя при одинаковых условиях прочность межфазного слоя в 20—100 раз меньше, чем на гра­ нице с бензолом. Эти опыты обнаруживают влияние второй фазы (воздуха или бензола) на формирование адсорбционного межфаз­ ного слоя. При изучении межфазных адсорбционных слоев, об­ разованных на границе водный раствор желатины/бензол, под микроскопом наблюдались морщины и складки вследствие боль­ ших толщин адсорбционных слоев. На границе с воздухом воз­ никший слой не обнаруживал морщин и складок, что может сви­ детельствовать о меньшей толщине адсорбционного слоя. Ана­ логичные картины наблюдались Шоттеном с сотр. [87] при изме­ рении межфазного натяжения.

Для выяснения влияния зарядов молекул желатины на проч­ ность межфазного слоя приготавливались растворы желатины при pH от 2 до 9 (рис. И). Максимальная прочность наблюдалась в

177

изоэлектрическом состоянии желатины как на границе раствор желатины/воздух, так и на границе с бензолом. Прочность меж­ фазных слоев резко уменьшалась при отклонении pH растворов желатины от изоточки в кислую и щелочную области. Это, повидимому, общее свойство адсорбционных слоев белков. Особое поведение белков в изоэлектрическом состоянии в поверхност­ ных слоях отмечалось Александером и его учениками [42, 43, 88].

Шоттен изучал зависимость поверхностного натяжения от pH на границе раствор желатины/бензол при 40° С. Условия опыта Шоттена и нашего, представленного на рис. 11, очень близки.

Рис. 11. Зависимость межфазной прочности на границе водного раствора желатины (с = 1 г/100 мл) с воздухом (1) и бензолом (2) от pH при 40° С (измерено через 5 час

после начала формирования ад­ сорбционного слоя)

Резкое изменение поверхностной прочности от pH свидетельст­ вует о том, что электрический заряд макромолекул оказывает влияние на образование прочного адсорбционного слоя. Боль­ шой заряд макромолекулы желатины приводит к резкому возрас­ танию адсорбционного барьера.

Дальнейшим подтверждением влияния заряда на формирова­ ние межфазного слоя могут служить наши опыты по определению межфазной прочности при увеличении ионной силы раствора при добавлении электролита (0,5 N КС1). Результаты исследования зависимости межфазной прочности (Ps, дин!см) на границе вод­ ный раствор желатины/бензол от ионной силы представлены

Добавление электролита при pH 2,0 и 8,8 приводит к увеличе­ нию межфазной прочности. Особенно велико влияние электро­ лита при pH 8,8 — при этом прочность увеличивается на порядок. Понижение межфазной прочности (без добавок электролита) в кислой и щелочной областях по сравнению с изоэлектрическим

178

состоянием объясняется электростатическим отталкиванием между молекулами желатины. Экранирование зарядов макромолекул при увеличении ионной силы раствора приводит к нарастанию прочности межфазных слоев.

В работах Пчелина и Кульмана [89—91] показана роль элек­ тростатических взаимодействий и pH среды в формировании ад­ сорбционных слоев желатины, обнаруженная при исследовании поверхностного натяжения статическим методом. Полученные ре­ зультаты для желатины (с = 0,5 г/100 мл) при 40 °С на границе с воздухом показали, что при формировании адсорбционных слоев в отсутствие соли электростатические взаимодействия приводят к замедленному образованию слоя. Однако конечные величины поверхностного натяжения в кислой области pH не зависят от заряда макромолекул. Отсутствие вклада в поверхностную ак­ тивность желатины полярных остатков при подавлении их иони­ зации, а также неизменность поверхностного натяжения, харак­ теризующего адсорбционные слои желатины в статических усло­ виях десорбции при изменении pH, не может объясняться с клас­ сических позиций изменением поверхностной активности и иони­ зацией полярных групп. Авторы предположили, что аналогично известному эффекту мутаротации поли-А-пролина в кислой об­ ласти pH имеет место протонизация имидных связей в молекулах желатины. При этом снижается заторможенность вращения во­ круг таких связей и повышается общая гибкость цепи, что способ­ ствует дифференциации сегментов по полярности и обусловливает существенно большую поверхностную активность по сравнению со щелочной областью pH, где цепи более жесткие.

Повышенная жесткость макромолекул желатины в щелочных растворах приводит к уменьшению адсорбции по сравнению с кислой областью и, как следствие этого, к уменьшению числа меяшолекулярных контактов в адсорбционном слое, что и ска­ зывается на величине прочности этого слоя. Здесь, по-видимому, играют роль не только физико-химические факторы, но и факторы, связанные с природой и спецификой взаимодействия молекул у поверхности раздела.

Влияние второй фазы (масла) на прочность межфазного ад­ сорбционного слоя (белка) представлено на рис. 12. По влиянию на прочность межфазных 'слоев исследованные углеводороды можно

меньше, чем в случае границы раствора с воздухом.

Для выяснения природы межмолекулярных связей в адсорб­ ционных слоях добавлялись вещества, способные разрушать во­ дородные и гидрофобные связи,— мочевина и салицилат натрия.

179