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

рацией молекул холестерина, обусловливающей стерические пре­ пятствия взаимодействию полярных групп холестерина с гидро­ фильными группами желатины, что снижает число связей в сме­ шанных адсорбционных слоях.

Из приведенных выше опытов нельзя предположить суще­ ствование определенных дискретных комплексов, образованных в результате взаимодействия молекул в адсорбционных слоях, однако получения высокой прочности, безусловно, можно достичь при подходящем молекулярном расположении в адсорбционном слое.

Рис. 19. Изменение межфазной прочности смешанных адсорбци­ онных слоев во времени на гра­ нице раздела водный раствор же -

латины (с = 1 г/100л«л)/0,005 М

раствор органического вещества в бензоле при pH 4,9 и 40° С

1 — чистый бензол;

2 — холестерин;

3 — стеариновая кислота;

4 — лауриновая кислота;

5 — олеиновая кислота

Исходя из результатов опытов, можно прийти к выводу, что главным фактором, определяющим устойчивость элементарных капель углеводорода к коалесценции, являются структурно-ме­ ханические свойства слоя, возникающего на границе раздела фаз.

ВЛИ Я Н И Е СТРУКТУРНО-М ЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АДСОРБЦИОННОГО СЛОЯ ПОВЕРХНОСТНО -АКТИВНЫ Х ПОЛИМЕРОВ Н А КОАЛЕСЦЕНЦИЮ К А П ЕЛ Ь УГЛЕВОДОРОДА В ВОДНОЙ СРЕДЕ

Систематические исследования полимеров — производных ря­ да поливинилового спирта впервые проводились японскими уче­ ными [56]. Было найдено, что поверхностная вязкость поливи­ нилового спирта, ноливинилацетата и поливинилстеарата являет­ ся функцией степени полимеризации «/г» структуры мономерной единицы и в особенности структуры ее боковой цепи. Монослои поливинилового спирта или ноливинилацетата относятся к раз­ реженному тину, а монослои поливинилстеарата — к конденсиро­ ванному типу. Поверхностная вязкость поливинилстеарата имеет неньютоновский характер и имеет довольно большое значение но порядку величин даже при очень высоких площадях на моле­ кулу, когда поверхностное давление почти не чувствуется. С другой стороны, в случае поливинилового спирта и поливинил­ ацетата сопротивление сдвигу замечается лишь при ощутимом значении поверхностного давления. Совпадение значений пло­ щадей при точках изгиба на обоих графиках зависимости теку­

190

честь — площадь и сжимаемость — площадь говорит о том, что поверхностная вязкость тесно связана с плотной упаковкой в пленке.

Все нанесенные поверхностные слои полимеров без исключения расширяются и занимают гораздо большую площадь на границах раздела с насыщенными маслами, чем на границе с воздухом, указывая на то, что дисперсионные силы взаимодействия поли­ мерных цепей значительно понижаются в присутствии масла [57].

Если полимер не растворяется в масляной фазе (например полиметакрилат в циклогексане), зависимость поверхностного дав­ ления от площади обнаруживает изгиб, при котором пленка перестает вести себя как ньютоновская жидкость и начинает проявлять явную упругость [58].

Механические свойства межфазных слоев, образующихся из водных растворов водорастворимых полимерных веществ — поли­ винилового спирта (ПВС) и его производных: поливинилформаля (ПВФ), ноливинилбутираля (ПВБ) и ноливинилкеталя (ПВК) на разных границах раздела фаз, рассмотрены в ряде работ [112, ИЗ]. В этих работах также была сделана попытка установить связь между механическими свойствами (т. е. межфазной проч­ ностью) адсорбционных слоев и временем жизни капель углево­ дорода у поверхностей раздела и подвергнут обсуждению меха­ низм образования адсорбционных межфазных двухмерных струк­ тур. В работе использован ПВС молекулярного веса 37 000, содержащий 2,8% ацетильных грунп, нереосажденный из вод­ ного раствора ацетоном, и растворимый ПВФ с малой степенью метилирования (не выше 10%), который был синтезирован из того же образца ПВС путем выдерживания смеси растворов ПВС, рассчитанного количества формалина и серной кислоты в каче­ стве катализатора до полного исчезновения свободного формаль­ дегида.

Очистка ПВС проводилась трехкратным переосаждением из водных растворов ацетоном.

Поливинилкеталь (Mw = 40 000) 1994-ного замещения и иоливинилбутираль (Mw = 40 000) 15%-ного замещения очищались также переосаждением ацетоном из водных растворов.

На рис. 20 представлена кинетика нарастания прочности адсорбционных слоев ПВС и ПВФ на границе с воздухом и бен­ золом. Кривые нарастания межфазной прочности для полимеров подобны кривым нарастания Ps для белковых систем. Это сви­ детельствует о том, что поведение синтетических макромолекул принципиально не отличается от поведения белковых молекул при образовании адсорбционных слоев.

Нарастание прочности адсорбционного слоя на границе раз­ дела фаз протекает во времени и для ПВС составляет 130—150 мин (в отличие от низкомолекулярных ПАВ, для которых образование равновесного адсорбционного слоя происходит практически мгно­ венно). При высоких концентрациях нолимеров скорость образо-

191

вания адсорбционного слоя несколько увеличивается. С этим хорошо согласуются литературные данные [ИЗ], согласно кото­ рым минимальное значение межфазного поверхностного натяже­ ния водных растворов ЛВС и ПВФ на границе с предельным углеводородом достигается через несколько часов. Временная зави­ симость межфазной прочности и адсорбции макромолекул обус­ ловлена замедленной диффузией адсорбирующихся макромоле­ кул и медленной ориентацией их на границе раздела фаз. В отли­ чие от адсорбции низкомолекулярных ПАВ адсорбция высоко­ молекулярных соединений в целом необратима, тогда как адсорб­ ция отдельных сегментов может быть обратимой [114].

Ps, дин/см

Рис. 20. Изменение прочности межфазных слоев водных раство­ ров ПВС (9—18) и 10%-ного ПВФ (1—8) во времени на границе раз­

дела с воздухом (пунктир) и бен­ золом (сплошные линии) для раз­

Согласно Сильбербергу [115], у большинства мономолекулярных слоев полимеров определенная часть сегментов макромоле­ кул расположена в растворе, поэтому результаты в значительной степени зависят от формы макромолекулы. Взаимодействие изо­ лированной макромолекулы с поверхностью приводит к тому, что полимерная цепь как бы разбивается на ряд коротких сег­ ментов, лежащих на поверхности и связанных друг с другом ко: роткими отрезками, имеющими форму петель, ориентированных в направлении от поверхности. Длина сегментов, полностью адсор­ бированных на поверхности, и длина петель не зависят от моле­ кулярного веса. Форма макромолекулы определяется только энергией, приходящейся на сегмент, взаимодействующий с по­ верхностью, и стерическими факторами, обусловленными хими­ ческой структурой макромолекулы.

Поливиниловый спирт образует хорошо растекающуюся мономолекулярную пленку [57], которая обнаруживает гистерезис даже при очень низких давлениях (2,5 дин/см). Удельная по­ верхность пленки составляет 12А2 на мономерное звено. При дальнейшем сжатии пленка становится очень жесткой и выдер­ живает давление почти 9 дин/см. Крисп [57] считает, что такое поведение обусловлено двумя факторами: наличием остаточных

192

ацетатных групп (2—3%) и переориентацией гидроксильных групп, происходящей в очень плотно упакованной полимерной пленке. Последнее, вероятно, более существенно. Причина пе­ реориентации заключается в повышении силы отталкивания дипо­ лей и увеличении взаимодействия вдоль цепи за счет образования

водородных связей.

В ряде работ [116—120] были исследованы свойства мономолекулярных слоев поливинилацетата. Изотерма поверхностного давления для этого полимера характерна для хорошо растека­ ющейся пленки. Слипание мономолекулярного слоя наблюдает­ ся при давлениях 23—26 дин!см. Величина поверхности, най-

Ps , д а н /с м

Рис. 21. Зависимость прочности межфазных слоев полимеров от концентрации на разных грани­ цах раздела фаз при 22° С

1— водный раствор 10%-ного замещен­ ного ПВФ на границе с воздухом;

2— то же на границе с бензолом;

3 — водный раствор ПВС на границе с воздухом;

4 — то же на границе с бензолом

денная экстраполяцией, составляет 24—27 А2 на мономерное звени. Толщина мономолекулярного слоя равна 4,5—5 А, что сви­ детельствует о горизонтальной ориентации макромолекул в пленке. и.* ^

Величины поверхностного давления и поверхностного момен­ та [115] позволяют считать, что большие участки макромолекул имеют зигзагообразную форму, и в них ацетатные группы находятся относительно друг друга в ^-положении. Однако нель­ зя полностью переносить свойства поверхностно-активных моле­ кул при исследовании монослоев на свойства межфазных адсорб­ ционных слоев.

Абрамзоном и Громовым [121] изучались поверхностно-актив­ ные свойства поливиниловых спиртов и их ацетатных производ­ ных. Ими было показано, что при низких концентрациях моле­ кулы этих полимеров располагаются на поверхностях раздела горизонтально при высоких концентрациях и при тангенциаль­ ном поджатии молекулы приобретают строго вертикальную ориен­ тацию.

Из рис. 21 следует, что межфазная прочность возрастает но мере увеличения концентрации как на границе с воздухом, так и на границе с бензолом, приближаясь к постоянному значению. Невысокая прочность адсорбционного слоя при низких концент­ рациях (0,05 г/100 мл) свидетельствует о малом числе межмо-

лекулярных контактов в пленке. При более высоких концентра­ циях полимеров прочность адсорбционных слоев значительно вы­ ше и в области концентраций около 0,5 г/100 мл достигает пре­ дельного значения. Повышение прочности обусловлено усиле­ нием межмолекулярных взаимодействий. Макромолекулы адсор­ бируются преимущественно сегментами. Так как свободные места на поверхности уже заняты сегментами других адсорбированных макромолекул, то макромолекулы располагаются петлями, сви­ сающими в водную фазу.

В растворах высокомолекулярных соединений макромолеку­ лы в объеме находятся в состоянии статистического клубка и обладают большой гибкостью, поэтому нельзя было ожидать различий в значениях межфазной прочности на разных границах раздела фаз. Из данных, приведенных на рис. 21, видно, что межфазная прочность на границе с бензолом больше, чем на грапице с воздухом, что указывает на некоторое различие в конформационном состоянии макромолекул и в структуре слоя на этих границах раздела фаз.

Р5,дин/см а

Рис. 22. Зависимость прочности межфазных слоев водных растворов поли­ меров от концентрации на границе с бензолом при 20° С

а — поливинилбутираль; б — поливинилкеталь

Рис. 23. Зависимость межфазной прочности адсорбционного слоя водных растворов полимеров: ПВС (1— 6) и 10%-ного замещенного ПВФ (7— 12)

на границе с воздухом (пунктир) и бензолом (сплошные линии) от температу­ ры при разных концентрациях

1, 2, 7, S — 1; 3, 4, 9, 10 — 0,1; 5, в , 11, 12 — 0,05 г/100 м л .

Измерено через 2 часа после старения адсорбционного слоя

194

Межфазная прочность адсорбционных слоев ПВС выше, чем ПВФ (10%-ного замещения). Различное значение межфазной прочности связано, вероятно, с тем, что ПВС — более гидро­ фильный полимер [122], в воде его макромолекулы представляют собой статистические клубки вытянутой конформации. Наличие метильных групп у ПВФ (10%) делает этот полимер более гид­ рофобным, поэтому можно предположить, что макромолекулы ПВФ существуют в виде более компактного статистического клуб­ ка и на межфазной поверхности находятся в более компактной конформации, что приводит к уменьшению межмолекулярных связей.

Из рис. 22, а, б, видно, что прочность межфазных адсорбцион­ ных слоев у замещенных ПВБ и ПВК уменьшается с увеличением концентрации, очевидно, вследствие агрегации макромолекул в растворе. Для выяснения типа связей, обусловливающих проч­ ность межфазных адсорбционных слоев, проводились опыты с замещенными полимерами при повышенной температуре в при­ сутствии салицилата натрия (10%).

Известно, что если прочность обусловлена водородными свя­ зями, то температурный коэффициент прочности является отри­ цательным. Из рис. 23, на котором представлена температурная зависимость межфазной прочности ПВС и ПВФ, видно, что она убывает с повышением температуры как на границе с воздухом, так и на границе с бензолом. Это уменьшение межфазной проч­ ности в данной системе можно объяснить разрушением водород­ ных связей с возрастанием температуры.

Межфазная прочность ПВБ и ПВК также уменьшается при увеличении температуры, при 40° С растворы этих полимеров сильно мутнеют вследствие агрегации, что делает невозможным определение межфазной прочности. Добавление 10% салицилата натрия, являющегося реагентом, разрушающим водородные связи, также приводило во всех случаях к резкому уменьшению проч­ ности.

Визученной области температур до 60° С Кульман, Влодавец

исотр. [123] обнаружили весьма плавное изменение поверхност­ ной активности ПВС и значительное (До = 5) понижение поверх­ ностной активности ПВФ (замещенного на 20%), что связано с агрегацией ПВФ при повышении температуры в области предрасслоения.

Структура пленок ПВС изучалась с помощью ИК-спектро- скопии [124]. Приготавливались пленки поливинилового спирта

На основании приведенных результатов можно сделать вывод о том, что основными межмолекулярными связями, обусловли­ вающими межфазную прочность адсорбционного слоя поливини­ ловых полимеров, являются водородные связи. В хорошем соот-

7* 195

Таблица 7. Время ж изни (т,^) капель бензола на границе раздела водный

раствор полимера/бензол при различных концентрациях и температурах

П р и м е ч а н и е . Измерения проведены через 2Час после старения адсорбционного слоя.

ветствии с этим выводом находятся и пониженные значения проч­ ности межфазных адсорбционных слоев замещенных поливинил­ ацетатов. В молекулах этих полимеров число гидроксильных групп уменьшено по сравнению с ПВС, в связи с чем уменьше­ на и вероятность образования межмолекулярных водородных связей. Необходимо подчеркнуть, что при этом не исключается роль гидрофобных взаимодействий, но преобладающими связя­ ми, обеспечивающими межфазную прочность в данном полимере, следует считать водородные связи.

196

Сопоставление величин межфазной прочности и времени жиз­ ни элементарных капель и в случае синтетических полимеров раскрывает роль механически прочных межфазных структур в стабилизации углеводородных капель к коалесценции (табл. 7).

Время жизни капель бензола, стабилизированных водными растворами ПВС и ПВФ, превышает 3 час и обусловлено высокой межфазной прочностью. Разрушение этого барьера повышением температуры или добавлением салицилата натрия приводит к резкому уменьшению времени жизни элементарных капель.

Рн, Г/вмг

Величины межфазной прочности для бензола, w-гептана и циклогексана практически одинаковы (табл. 8). В случае к-геп- тилового спирта межфазная прочность понижается практически до нуля. Это может быть связано с тем, что н-гептиловый спирт более поверхностно-активное вещество, чем ПВС и ПВФ. Ридил и Сюзерленд [125] при исследовании кинетики адсорбции молекул низших алифатических спиртов из водного раствора на границе раздела с воздухом с помощью измерений поверхностного натя­ жения по методу струй пришли к выводу, что гептиловый и окти­ ловый спирты обладают аномальными гидродинамическими свой­ ствами у поверхности раздела. Эти особые гидродинамические свойства адсорбционного слоя н-гептилового спирта могут при­ вести к затруднению создания прочной двухмерной структуры ПВФ и ПВС.

Если прочность межфазных адсорбционных слоев Ps поли­ винилового спирта пересчитать на прочность объемных гелей Рк с учетом толщины адсорбционных слоев h, то можно видеть, что раствор ПВС концентрации 0,1 г/ЮО мл (толщина слоя1 750 А, межфазная прочность 2,7 дин/см) и раствор ПВС концентрации 1 г/100 мл (толщина слоя 1500 А, межфазная прочность 4 дин!см) образуют адсорбционные слои с прочностью приблизительно 350 Псмг. Это соответствует, по нашим измерениям, прочности на сдвиг приблизительно 35%-ного геля ПВС (рис. 24).

1 Данные по толщине адсорбционных слоев поливинилового спирта взяты из доклада доктора X. Зоннтага (Берлин, ГДР) на IV Всесоюзной кон­ ференции по физико-химической механике.

;197

По данным Ланквельда и Ликлема [ИЗ], адсорбция ПВС на

(1%-ный раствор). Учитывая толщины слоев, получаем значения для концентраций ПВС в межфазном слое около 20%, т. е. пример­ но совпадающие с вычисленными значениями из данных по пре­ дельному напряжению двухмерных межфазных слоев и прочно­ сти гелей.

Таким образом, устойчивость к коалесценции обусловлена фазовыми необратимыми адсорбционными слоями поливинилово­ го спирта (создающими структурно-механический барьер по Ребиндеру), которые достаточно толсты (порядка 1000 А) и обла­ дают прочностью на сдвиг вследствие образования водородных связей между сегментами макромолекул. Эта прочность соответ­ ствует прочности 20—30%-ных ПВС в объеме.

ОБРАЗОВАНИЕ МЕЖФАЗНЫХ АДСОРБЦИОННЫХ СЛОЕВ ГЛОБУЛЯРНЫХ БЕЛКОВ И ВРЕМЯ ЖИЗНИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ КАПЕЛЬ УГЛЕВОДОРОДА НА ГРАНИЦАХ РАЗДЕЛА

Исследование механизма структурообразования и упрочнения межфазных адсорбционных слоев глобулярных белков сводится к выяснению адсорбции поверхностно-активных молекул белка на границах раздела фаз, конформационных изменений молекул белка на этих границах и установлению типов связей (контактов), которые ответственны за двухмерное структурообразование, при­ водящее к возникновению прочности.

Рассмотрим сначала наиболее простой случай развития меж­ фазной прочности водных растворов яичного альбумина и а-ка- зеина на границе с воздухом (рис. 25 и 26). Известно, что в водных растворах молекулы яичного альбумина и а-казеина находятся в виде глобул. При адсорбции белка вследствие избытка свобод­ ной энергии на границе раздела фаз происходят конформационные изменения макромолекул, которые выражаются в некотором развертывании молекул под влиянием тех сил, которые дей­ ствуют на молекулу у поверхности раздела фаз. Скорость обра­ зования адсорбционного слоя есть функция концентрации — чем больше концентрация в объеме, тем скорее образуется адсорб­ ционный слой, так как при этом выше вероятность выхода моле­ кул белка на поверхность. Со временем поверхностный слой заполняется макромолекулами белков и переходит в конденсиро­ ванное состояние, вследствие чего создается большое поверхно­ стное давление или, что строже,— барьер для новых приходя­ щих молекул. Существование такого барьера было доказано в работе Александера и Макрихти [126].

При изменении границы раздела фаз (вторая фаза — воздух заменяется на углеводородную жидкость) наблюдается ускорение

198