satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2023-22-5-359-366sat-2703Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕMECHANICAL ENGINEERING АND ENGINEERING SCIENCEСтруктура и свойства многослойных нанокомпозиционных покрытий поливинилового спирта с наночастицами оксида алюминияStructure and Properties of Multilayer Nanocomposite Coatings of Polyvinyl Alcohol with Aluminum Oxide NanoparticlesСапсалёвД. В.SapsaliouD. V.

Магистр.

Минск, Республика Беларусь

Minsk, Republic of Belarus

dsapsalev@list.ruПетровскаяА. С.PetrovskayaA. S.

Магистр.

Минск, Республика Беларусь

Minsk, Republic of Belarus

РадюкевичД. Л.RadyukevichD. L.

Магистр.

Минск, Республика Беларусь

Minsk, Republic of Belarus

ТолстаяТ. Н.TolstayaT. N.

Магистр.

Минск, Республика Беларусь

Minsk, Republic of Belarus

МельниковаГ. Б.MelnikovaG. B.

Кандидат технических наук, доцент.

Минск, Республика Беларусь

Minsk, Republic of Belarus

ЧижикС. А.ChizhikS. A.

Академик НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор.

Минск, Республика Беларусь

Minsk, Republic of Belarus

Институт тепло и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси; Белорусский государственный педагогический университет имени Максима ТанкаБеларусьA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Science of Belarus; Belarusian State Pedagogical University named after Maxim TankBelarusИнститут тепло и массообмена имени А. В. Лыкова НАН БеларусиБеларусьA. V. Luikov Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Science of BelarusBelarus202310102023225359366Copyright © Сапсалёв Д.В., Петровская А.С., Радюкевич Д.Л., Толстая Т.Н., Мельникова Г.Б., Чижик С.А., 20232023Сапсалёв Д.В., Петровская А.С., Радюкевич Д.Л., Толстая Т.Н., Мельникова Г.Б., Чижик С.А.Sapsaliou D.V., Petrovskaya A.S., Radyukevich D.L., Tolstaya T.N., Melnikova G.B., Chizhik S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/2703

Создание нанокомпозиционных полимер-неорганических материалов, изучение их морфологии и механических свойств на наноуровне актуальны в области разработки новых материалов различного функционального назначения, в том числе медицинского. В результате проведенных исследований разработана методика получения одно- и многослойных пленок поливинилового спирта и композиционных полимерных покрытий с наночастицами оксида алюминия методом спин-коатинга. Показано, что оптимальное массовое содержание наночастиц оксида алюминия в суспензии для получения однородных композиционных покрытий составляет 0,625 %. На основании данных о структурно-морфологических и механических свойствах сформированных покрытий, полученных методом атомно-силовой микроскопии, установлено, что увеличение количества слоев композиционных покрытий приводит к росту числа конгломератов, что, в свою очередь, повышает шероховатость поверхности пленок. Модуль упругости однослойных пленок поливинилового спирта составляет (509,5 ± 10 %) МПа. В случае пленок композиционных покрытий с наночастицами оксида алюминия изменения модуля упругости установлены для многослойных покрытий: увеличение до 559,0 МПа (5 слоев) и уменьшение до 415,2 МПа (10 слоев). Модуль упругости исследуемых однослойных покрытий значительно снижается в диапазоне 20−40 ºС. Наименьшие значения после воздействия температур определены для пленок с наночастицами (236,2 ± 10 %) МПа. Нанокомпозиты демонстрируют рост краевого угла смачивания с увеличением количества слоев композиционных покрытий до 20. Последующий рост толщины покрытий (количества слоев) приводит к увеличению гидрофильности нанокомпозитов. Разработанные составы нанокомпозиционных пленок перспективны в качестве сорбционных покрытий.

The nanocomposite polymer – inorganic materials formation, the study of their morphology and mechanical properties at the nanolevel is acute in the development of new materials for various functional purposes, including medical ones. As a result of the research the technique for producing singleand multilayer films of polyvinyl alcohol and composite polymer coatings with aluminum oxide nanoparticles by the spin coating method has been developed. It is shown that the optimal mass content of aluminum oxide nanoparticles in suspension for the formation of uniform composite coatings is 0.625 %. Based on experimental data on the structuralmorphological and mechanical properties of the formed coatings obtained by atomic force microscopy, it has been found that an increase in the number of layers of composite coatings leads to an increase in the number of conglomerates which, in turn, increases the surface roughness of the films. The modulus of elasticity of single-layer films of polyvinyl alcohol is (509.5 ± 10 %) MPa. In the case of composite coatings with aluminum oxide nanoparticles, changes in the elastic modulus have been established for multilayer coatings: an increase to 559.0 MPa (5 layers) and a decrease to 415.2 MPa (10 layers). The modulus of elasticity of the investigated single-layer coatings is significantly reduced in the range of 20−40 ºС. The smallest values after exposure to temperatures have been determined for films with nanoparticles (236.2 ± 10 %) MPa. Nanocomposites demonstrate an increase in the contact angle with an increase in the number of layers of composite coatings up to 20. A subsequent increase in the thickness of the coatings (the number of layers) leads to an increase in the hydrophilicity of the nanocomposites. The developed compositions of nanocomposite films are promising as sorption coatings.

композиционные полимерные покрытияполивиниловый спиртнеорганические наночастицыоксид алюминияспин-коатингатомно-силовая микроскопияcomposite polymer coatingspolyvinyl alcoholinorganic nanoparticlesaluminum oxidespin coatingatomic force microscopyРабота выполнена в рамках договора с Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований № Т21М-051 от 01.07.2021ReferencesХлыстова, Т. С. Технология получения лечебных депо-материалов на текстильной и гидрогелевой основе с использованием печатных композиций из смеси биополимеров – полисахаридов: дис. … канд. техн. наук: 05.19.02 / Т. С. Хлыстова. М., 2015. 180 с.Khlystova T. S. (2015) Technology for Obtaining Medical Depot Materials on a Textile and Hydrogel Basis Using Printed Compositions From a Mixture of Biopolymers – Polysaccharides. PhD eng. sci. diss. Moscow. 180 (in Russian).Макаренко, М. В. Современные подходы к разработке раневых покрытий / М. В. Макаренко, В. П. Курченко, С. А. Усанов // Труды БГУ. Сер. Физиологические, биохимические и молекулярные основы функционирования биосистем. 2016. Т. 11, ч. 1. С. 273−279.Makarenko M. V., Kurchenko V. P., Usanov S. A. (2016) Modern Approaches to the Development of Wound Coverings. Trudy BGU. Seriya: Fiziologicheskie, Biokhimicheskie i Molekulyarnye Osnovy Funktsionirovaniya Biosistem = Proceedings of the Belarusian State University. Series of Physiological, Biochemical and Molecular Biology Sciences, 11 (1), 273−279 (in Russian).Mallakpour, S. Enhancement in Thermal Properties of Poly (Vinyl Alcohol) Nanocomposites Reinforced with Al2O3 Nanoparticles / S. Mallakpour, M. Dinari // Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2012. Vol. 32, No 4. Р. 217−224. https://doi.org/10.1177/0731684412467236.Mallakpour S., Dinari M. (2012) Enhancement in Thermal Properties of Poly (Vinyl Alcohol) Nanocomposites Reinforced with Al2O3 Nanoparticles. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 32 (4), 217−224. https://doi.org/10.1177/0731684412467236.Соловьев, В. С. Полимерные водопоглощающие композиции с повышенной прочностью / В. С. Соловьев, М. В. Успенская, Н. В. Сиротинкин // Изв. вузов. Приборостроение. 2010. Т. 53, № 4. С. 63−65.Solov'ev V. S., Uspenskaya M. V., Sirotinkin N. V. (2010) Polymeric Water-Absorbing Compositions with Increased Strength. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Priborostroenie = Journal of Instrument Engineering, 53 (4), 63−65 (in Russian).Современные раневые покрытия в лечении гнойных ран / Ю. С. Винник [и др.] // Новости хирургии. 2015. T. 23, № 5. С. 552–558. https://doi.org/10.18484/2305-0047.2015.5.552.Vinnik Yu. S., Markelova N. M., Solov'eva N. S., Shishatskaya E. I., Kuznetsov M. N., Zuev A. P. (2015) Modern Wound Dressings in the Treatment of Purulent Wounds. Novosti Khirurgii, 23 (5), 552–558. https://doi.org/10.18484/2305-0047.2015.5.552 (in Russian).Polyvinyl Alcohol and Pectin Blended Films: Preparation, Characterization and Mesenchymal Stem Cells Attachment / A. Kraskouski [et al.] // Journal of Biomedical Materials Research Part A. 2021. Vol. 109, Iss. 8. P. 1379−1392. https://doi.org/10.1002/jbm.a.37130.Kraskouski A., Hileuskaya K., Kulikouskaya V., Kabanava V., Agabekov V., Pinchuk S., Vasilevich I., Volotovski I., Kuznetsova T., Lapitskaya V. (2021) Polyvinyl alcohol and Pectin Blended Films: Preparation, Characterization and Mesenchymal Stem Cells Attachment. Journal of Biomedical Materials Research. Part A, 109 (8), 1379−1392. https://doi.org/10.1002/jbm.a.37130.Амерханова, Ш. К. Особенности сорбционных свойств модифицированных полимерных пленок на основе поливинилового спирта / Ш. К. Амерханова, Р. М. Шляпов, А. С. Уали // Сорбционные и хроматографические процессы. 2012. Т. 12, № 6. С. 875−883.Amerkhanova Sh. K., Shlyapov R. M., Uali A. S. (2012) Peculiarities of Sorption Properties of Modified Polymer Films Based on Polyvinyl Alcohol. Sorbtsionnye i Khromatograficheskie Protsessy = Sorption and Chromatography processes, 12 (6), 875–883 (in Russian).Куделин, Н. Адсорбционная способность наноразмерного оксида алюминия / Н. Куделин, Н. К. Кхань // Химия и химическая технология в XXI веке: материалы XI Всероссийской науч.-практ. конф. студ. и аспирантов. Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2010. Т. 1. С. 91−93.Kudelin N., Kkhan' N. K. (2010) Adsorption Capacity of Nanosized Aluminum Oxide. Khimiya i Khimicheskaya Tekhnologiya v XXI veke: Materialy XI Vserossiiskoi Nauchno-Prakticheskoi Konferentsii Studentov i Aspirantov. T. 1 [Chemistry and Chemical Technology in the 21st Century: Proceedings of the XI All-Russian Scientific and Practical Conference of Students and Postgraduates. Vol. 1]. Tomsk, Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 91–93 (in Russian).Адсорбционные свойства оксида алюминия, модифицированного наночастицами Сo и СoО / С. Н. Ланин [и др.] // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2017. Т. 53, № 3. С. 247−254. https://doi.org/10.7868/S0044185617030159.Lanin S. N., Bannykh A. A., Vlasenko E. V., Vinogradov A. E., Lanina K. S., Levachev S. M. (2017) Adsorption Properties of Aluminum Oxide Modified with Co and CoO Nanoparticles. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces, 53 (3), 408−415. https://doi.org/10.1134/s2070205117030145.Абилова, Г. К. Разработка технологии получения гидрогелевых лекарственных форм и повязок: дис. ... д-ра философии: 6D072100 / Г. К. Абилова. Алматы, 2019. 135 с.Abilova G. K. Development of Technology for Obtaining Hydrogel Dosage Forms and Dressings. PhD. diss. Almaty, 2019, 135 (in Russian).Структура и свойства многослойных нанокомпозиционных покрытий хитозана с наночастицами оксида алюминия / Д. В. Сапсалёв [и др.] // Полимерные материалы и технологии. 2023. Т. 9, № 1. С. 52–58. https://doi.org/10.32864/polymmattech-2023-9-1-52-58.Sapsaliou D. V., Petrovskaya A. S., Radyukevich D. L., Khabarava A. V., Melnikova G. B., Chizhik  S. A. (2023) Structure and Properties of Multilayer Nanocomposite Coatings of Chitosan with Aluminum Oxide Nanoparticles. Polimernye Materialy i Tekhnologii = Polymer Materials and Technologies, 9 (1), 52–58. https://doi.org/10.32864/polymmattech-2023-9-1-52-58 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.