Polymer Science, Series APolymer Science, Series AВысокомолекулярные соединения. Серия А2308-11202412-9844The Russian Academy of Sciences69915210.7868/S2412984425040021ПОЛИМЕРНЫЕ ГЕЛИResearch ArticleMEKhANIChESKIE SVOYSTVA GELEY AL'GINATA NATRIYa I NANOChASTITs PRIRODNOGO PROISKhOZhDENIYa DO I POSLE SShIVANIYa IONAMI KAL'TsIYaМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕЛЕЙ АЛЬГИНАТА НАТРИЯ И НАНОЧАСТИЦ ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ ДО И ПОСЛЕ СШИВАНИЯ ИОНАМИ КАЛЬЦИЯMolchanovV. S.МолчановВ. С.molchan@polly.phys.msu.ruStorozhukA. P.СторожукА. П.FilippovaO. E.ФилипповаО. Е.Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова. Физический факультет15102025674VOL 67, NO4 (2025)ТОМ 67, №4 (2025)23424123122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/2308-1120/article/view/699152

Полисахарид альгинат натрия и нанотрубки природной глины галлуазита в водной среде образуют трехмерную структуру, обладающую реологическими свойствами тиксотропного геля. Исследованы закономерности изменения механических свойств гелей при изменении концентрации полимера при сдвиговом напряжении ниже и выше значений предела текучести. Показано, что гели характеризуются высокими значениями модуля накопления G' и предела текучести σy, которые растут с концентрацией альгината натрия согласно степенным зависимостям: G' ~ C2,4 и σy ~ C2,0. Это объясняется увеличением количества топологических зацеплений между макромолекулами, формирующими двойную сетку вместе с перколяционной структурой нанотрубок за счет нековалентных взаимодействий. Показано, что при напряжениях выше предела текучести гели текут, а их вязкость падает при увеличении скорости сдвига. Эти зависимости имеют низкие значения индексов течения, так как компоненты геля связаны нековалентными взаимодействиями и могут выстраиваться вдоль направления течения. Реологические свойства полученных гелей альгината натрия и нанотрубок галлуазита делают их перспективными для использования в качестве чернил для экструзионной 3D-печати. Проведено сравнительное исследование механических свойств при одноосном сжатии гелей, сшитых ионами кальция. Показано, что модуль Юнга сшитых гелей, содержащих перколяционную сетку нанотрубок, на полпорядка выше, чем аналогичных гелей альгината натрия без нанотрубок. Повышение концентрации альгината натрия позволяет дополнительно увеличить значения модуля Юнга в несколько раз, поскольку возрастает количество цепей, сшиваемых ионами кальция.

Полисахарид альгинат натрия и нанотрубки природной глины галлуазита в водной среде образуют трехмерную структуру, обладающую реологическими свойствами тиксотропного геля. Исследованы закономерности изменения механических свойств гелей при изменении концентрации полимера при сдвиговом напряжении ниже и выше значений предела текучести. Показано, что гели характеризуются высокими значениями модуля накопления G' и предела текучести σy, которые растут с концентрацией альгината натрия согласно степенным зависимостям: G' ~ C2,4 и σy ~ C2,0. Это объясняется увеличением количества топологических зацеплений между макромолекулами, формирующими двойную сетку вместе с перколяционной структурой нанотрубок за счет нековалентных взаимодействий. Показано, что при напряжениях выше предела текучести гели текут, а их вязкость падает при увеличении скорости сдвига. Эти зависимости имеют низкие значения индексов течения, так как компоненты геля связаны нековалентными взаимодействиями и могут выстраиваться вдоль направления течения. Реологические свойства полученных гелей альгината натрия и нанотрубок галлуазита делают их перспективными для использования в качестве чернил для экструзионной 3D-печати. Проведено сравнительное исследование механических свойств при одноосном сжатии гелей, сшитых ионами кальция. Показано, что модуль Юнга сшитых гелей, содержащих перколяционную сетку нанотрубок, на полпорядка выше, чем аналогичных гелей альгината натрия без нанотрубок. Повышение концентрации альгината натрия позволяет дополнительно увеличить значения модуля Юнга в несколько раз, поскольку возрастает количество цепей, сшиваемых ионами кальция.

альгинат натриянанотрубки глины галлуазитагелиреологияРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 23-13-00177, https://rscf.ru/project/23-13-00177/).Liu J., Sun L., Xu W., Wang Q., Yu S., Sun J. // Carbohydr. Polym. 2019. V. 207. P. 297.Li Z., Lin Z. // Aggregate. 2021. V. 2. № 2. P. 1.Rastogi P., Kandasubramanian B. // Biofabrication 2019. V. 11. № 4. P. 42001.Liu X., Qian L., Shu T., Tong Z. // Polymer. 2002. V. 44. № 2. P. 407.Stokke B.T., Draget K.I., Smidzrod O., Yuguchi Y., Urakawa H., Kajiwara K. // Macromolecules. 2000. V. 33. P. 1853.Glukhova S.A., Molchanov V.S., Lokshin B.V., Rogachev A.V., Tsarenko A.A., Patsaev T.D., Kamyshnisky R.A., Philippova O.E. // Polymers. 2021. V. 13. № 23.Draget K.I., Stokke B.T., Yuguchi Y., Urakawa H., Kajiwara K. // Biomacromolecules. 2003. V. 4. № 6. P. 1661.Wei J., Wang B., Li Z., Wu Z., Zhang M., Sheng N., Liang Q., Wang H., Chen S. // Carbohydr. Polym. 2020. V. 238. P. 116207.Kawaguchi M., Fukushima T., Hayakawa T., Nakashima N., Inoue Y., Takeda S., Okamura K., Taniguchi K. // Dent. Mater. J. 2006. V. 25. № 4. P. 719.Munoz-Perez E., Perez-Valle A., Igarina M., Santos-Vizcaino E., Hernandez R.M. // Biomater. Adv. 2023. V. 149. P. 213414.Dutta S.D., Hexiu J., Patel D.K., Ganguly K., Lim K.T. // Int. J. Biol. Macromol. 2021. V. 167. P. 644.Glukhova S.A., Molchanov V.S., Chesnokov Y.M., Lokshin B.V., Kharitonova E.P., Philippova O.E. // Carbohydr. Polym. 2022. V. 282. P. 119106.Grasdalen H. // Carbohydr. Res. 1983. V. 118. P. 255.Lee K.Y., Mooney D.J. // Prog. Polym. Sci. 2012. V. 37. № 1. P. 106.Rinaudo M. // Polym. Bull. 1992. № 27. P. 585.Massaro M., Noto R., Riela S. // Molecules. 2020. V. 25. № 20. P. 4863.Yuan P., Tan D., Annabi-bergaya F. // Appl. Clay Sci. 2015. V. 112–113. P. 75.Shishkhanova K.B., Molchanov V.S., Baranov A.N., Kharitonova E.P., Orekhov A.S., Arkharova N.A., Philippova O.E. // J. Mol. Liq. 2023. V. 370. P. 121032.Sikorski P., Mo F., Skják-Breek G., Stokke B.T. // Biomacromolecules. 2007. V. 8. № 7. P. 2098.Peak C.W., Stein J., Gold K.A., Gaharwar A.K. // Langmuir. 2018. V. 34. № 3. P. 917.Jin Y., Liu C., Chai W., Compaan A., Huang Y. // ACS Appl. Mater. Interfaces 2017. V. 9. № 20. P. 17456.Murab S., Gupta A., Włodarczyk-Biegun M.K., Kumar A., van Rijn P., Whitlock P., Han S.S., Agrawal G. // Carbohydr. Polym. 2022. V. 296. № August.Hernández R., Sacristán J., Mijangos C. // Macromol. Chem. Phys. 2010. V. 211. № 11. P. 1254.Edwards S.F., Doi M. // Faraday Trans. 2 Mol. Chem. Phys. 1978. V. 74. № 11. P. 1818.Heo Y., Larson R.G. // Macromolecules. 2008. V. 41. № 22. P. 8903.Lopez C.G., Voleske L., Richtering W. // Carbohydr. 2020. V. 234. P. 115886.Zhou L., Fu J., He Y. // Adv. Funct. Mater. 2020. V. 30. P. 2000187.Wu D., Yu Y., Tan J., Huang L., Luo B., Lu L., Zhou C. // Mater. Des. 2018. V. 160. P. 486.Malkin A.Y., Isayev A.I. // Rheology: Concepts, Methods, and Applications. Toronto, 2017.Kuleznev V.N., Manenkova V.N. // Неизотермическое течение дисперсных, полимерных и жидкокристаллических систем: структурный подход. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016.Moller P.C.F., Mewis J., Bonn D. // Soft Matter. 2006. V. 2. № 4. P. 274.Xu Y., Arens A.D., Stokes J.R. // J. Colloid Interface Sci. 2017. V. 496. P. 130.Gasbarro N.M., Solomon M.J. // Rheol. Acta. 2019. V. 58. № 11–12. P. 729.Williams A.H., Roh S., Jacob A.R., Stoyanov S.D., Hsiao L., Velev O.D. // Nat. Commun. 2021. V. 12. № 1. P. 1.Roman J., Neri W., Fierro V., Celzard A., Bentaleb A., Ly I., Zhong J., Derré A., Poulin P. // Nano Today. 2020. V. 33. P. 100881.Li H., Tan C., Li L. // Mater. Des. 2018. V. 159. P. 20.Dávila J.L., d'Ávila M.A. // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2019. V. 101. № 1–4. P. 675.Bakarich S.E., Beirne S., Wallace G., Spinks M. // J. Mater. Chem. B. 2013. V. 1. P. 4939.Giuseppe M. Di, Law N., Webb B., Macrae R.A., Sercombe T.B., Dilley R.J., Doyle B.J., Liew L.J. // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2018. V. 79. № September 2017. P. 150.Tavsani B., Okay O. // Carbohydr. Polym. 2019. V. 208. P. 413.Dayal M.S., Catchmark J.M. // Carbohydr. Polym. 2016. V. 144. P. 447.Serafín A., Murphy C., Rubio M.C., Collins M.N. // Mater. Sci. Eng. C. 2021. V. 122. P. 111927.