Tyrimo fonas
Celiuliozė, kaip natūralus, gausus ir atsinaujinantis išteklius, susiduria su dideliais iššūkiais praktikoje dėl savo nelydymosi ir riboto tirpumo savybių. Dėl didelio kristališkumo ir didelio tankio vandenilio jungčių celiuliozės struktūroje ji suyra, bet netirpsta apsėdimo proceso metu ir netirpi vandenyje ir daugumoje organinių tirpiklių. Jų dariniai gaunami esterifikuojant ir eterinant hidroksilo grupes ant anhidrogliukozės vienetų polimero grandinėje, ir jie turės keletą skirtingų savybių, palyginti su natūralia celiulioze. Celiuliozės eterinimo reakcija gali sukurti daug vandenyje tirpių celiuliozės eterių, tokių kaip metilceliuliozė (MC), hidroksietilceliuliozė (HEC) ir hidroksipropilceliuliozė (HPC), kurie plačiai naudojami maiste, kosmetikoje, farmacijoje ir medicinoje. Vandenyje tirpus CE gali sudaryti vandenilinius polimerus su polikarboksirūgštimis ir polifenoliais.
Sluoksnis po sluoksnio surinkimas (LBL) yra efektyvus polimerinių kompozitinių plonų plėvelių paruošimo būdas. Toliau daugiausia aprašomas trijų skirtingų HEC, MC ir HPC CE su PAA LBL surinkimas, palyginamas jų surinkimo elgesys ir analizuojama pakaitų įtaka LBL surinkimui. Ištirti pH įtaką plėvelės storiui ir skirtingus pH skirtumus plėvelės formavimuisi bei tirpimui ir sukurti CE/PAA vandens sugėrimo savybes.
Eksperimentinės medžiagos:
Poliakrilo rūgštis (PAA, Mw = 450 000). 2 masės % vandeninio hidroksietilceliuliozės (HEC) tirpalo klampumas yra 300 mPa·s, o pakeitimo laipsnis yra 2,5. Metilceliuliozė (MC, 2 masės % vandeninis tirpalas, kurio klampumas 400 mPa·s ir pakeitimo laipsnis 1,8). Hidroksipropilceliuliozė (HPC, 2 masės % vandeninis tirpalas, kurio klampumas 400 mPa·s ir pakeitimo laipsnis 2,5).
Filmo paruošimas:
Paruoštas skystųjų kristalų sluoksnio surinkimu ant silicio 25°C temperatūroje. Objektyvo matricos apdorojimo būdas yra toks: mirkyti rūgštiniame tirpale (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30min, po to kelis kartus perplauti dejonizuotu vandeniu, kol pH taps neutralus, o galiausiai išdžiovinti grynu azotu. LBL surinkimas atliekamas naudojant automatinę techniką. Substratas pakaitomis buvo mirkomas CE tirpale (0, 2 mg / ml) ir PAA tirpale (0, 2 mg / ml), kiekvienas tirpalas mirkomas 4 min. Tarp kiekvieno tirpalo mirkymo buvo atlikti trys mirkymai po 1 min., kad būtų pašalintas laisvai pritvirtintas polimeras. Surinkimo tirpalo ir skalavimo tirpalo pH vertės buvo sureguliuotos iki 2,0. Paruoštos plėvelės žymimos (CE/PAA)n, kur n žymi surinkimo ciklą. Daugiausia buvo paruošti (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 ir (HPC/PAA)30.
Filmo charakteristika:
Beveik normalaus atspindžio spektrai buvo užregistruoti ir analizuojami naudojant „NanoCalc-XR Ocean Optics“ ir išmatuotas ant silicio nusodintų plėvelių storis. Naudojant tuščią silicio substratą kaip foną, plonos plėvelės ant silicio substrato FT-IR spektras buvo surinktas Nicolet 8700 infraraudonųjų spindulių spektrometru.
Vandenilio jungties sąveika tarp PAA ir CE:
HEC, MC ir HPC su PAA surinkimas į LBL plėveles. HEC/PAA, MC/PAA ir HPC/PAA infraraudonųjų spindulių spektrai parodyti paveikslėlyje. Stiprius PAA ir CES IR signalus galima aiškiai pastebėti HEC/PAA, MC/PAA ir HPC/PAA IR spektruose. FT-IR spektroskopija gali analizuoti vandenilio jungties kompleksavimą tarp PAA ir CES, stebint būdingų absorbcijos juostų poslinkį. Vandenilio ryšys tarp CES ir PAA daugiausia vyksta tarp CES hidroksilo deguonies ir PAA COOH grupės. Susidarius vandeniliniam ryšiui, raudona tempimo smailė pasislenka į žemo dažnio kryptį.
Grynų PAA miltelių smailė buvo 1710 cm-1. Kai poliakrilamidas buvo surinktas į plėveles su skirtingais CE, HEC / PAA, MC / PAA ir MPC / PAA plėvelių smailės buvo atitinkamai 1718 cm-1, 1720 cm-1 ir 1724 cm-1. Palyginti su grynais PAA milteliais, HPC / PAA, MC / PAA ir HEC / PAA plėvelių smailių ilgiai pasislinko atitinkamai 14, 10 ir 8 cm−1. Vandenilio ryšys tarp eterio deguonies ir COOH nutraukia vandenilio ryšį tarp COOH grupių. Kuo daugiau vandenilio jungčių susidaro tarp PAA ir CE, tuo didesnis CE/PAA smailės poslinkis IR spektruose. HPC turi aukščiausią vandenilio jungčių kompleksavimo laipsnį, PAA ir MC yra viduryje, o HEC yra žemiausias.
Kompozitinių PAA ir CE plėvelių augimo elgsena:
PAA ir CE plėvelės formavimosi elgsena LBL surinkimo metu buvo ištirta naudojant QCM ir spektrinę interferometriją. QCM yra veiksmingas stebint plėvelės augimą vietoje per pirmuosius kelis surinkimo ciklus. Spektriniai interferometrai tinka plėvelėms, auginamoms per 10 ciklų.
HEC / PAA plėvelė rodė linijinį augimą per visą LBL surinkimo procesą, o MC / PAA ir HPC / PAA plėvelės rodė eksponentinį augimą ankstyvosiose surinkimo stadijose ir vėliau transformavosi į linijinį augimą. Linijinio augimo srityje kuo didesnis kompleksiškumo laipsnis, tuo didesnis storio augimas per surinkimo ciklą.
Tirpalo pH įtaka plėvelės augimui:
Tirpalo pH reikšmė turi įtakos vandeniliu sujungtos polimerinės kompozicinės plėvelės augimui. Kaip silpnas polielektrolitas, PAA bus jonizuotas ir neigiamai įkraunamas, kai tirpalo pH padidės, taip slopindamas vandenilio jungčių susiejimą. Kai PAA jonizacijos laipsnis pasiekė tam tikrą lygį, PAA negalėjo surinkti į plėvelę su vandenilio jungties akceptoriais LBL.
Plėvelės storis mažėjo padidėjus tirpalo pH, o plėvelės storis staiga sumažėjo esant pH 2,5 HPC/PAA ir pH 3,0-3,5 HPC/PAA. HPC/PAA kritinis taškas yra apie 3,5 pH, o HEC/PAA – apie 3,0. Tai reiškia, kad kai surinkimo tirpalo pH yra didesnis nei 3,5, negali susidaryti HPC/PAA plėvelė, o kai tirpalo pH yra didesnis nei 3,0, HEC/PAA plėvelė nesusidaro. Dėl didesnio HPC/PAA membranos vandenilio jungčių kompleksavimo laipsnio HPC/PAA membranos kritinė pH vertė yra didesnė nei HEC/PAA membranos. Tirpale be druskos HEC/PAA, MC/PAA ir HPC/PAA sudarytų kompleksų kritinės pH vertės buvo atitinkamai apie 2,9, 3,2 ir 3,7. Kritinis HPC / PAA pH yra didesnis nei HEC / PAA, o tai atitinka LBL membranos pH.
CE / PAA membranos vandens sugėrimo savybės:
CES yra daug hidroksilo grupių, todėl jis gerai sugeria vandenį ir sulaiko vandenį. Kaip pavyzdį imant HEC/PAA membraną, buvo ištirtas vandenilinės jungties CE/PAA membranos adsorbcijos gebėjimas vandenyje aplinkoje. Būdinga spektrine interferometrija, plėvelės storis didėja, nes plėvelė sugeria vandenį. Jis buvo patalpintas į aplinką su reguliuojamu drėgnumu 25 ° C temperatūroje 24 valandoms, kad būtų pasiekta vandens absorbcijos pusiausvyra. Plėvelės buvo džiovinamos vakuuminėje krosnyje (40 ° C) 24 valandas, kad būtų visiškai pašalinta drėgmė.
Didėjant drėgmei, plėvelė storėja. Mažo drėgnumo 30–50 % srityje storis auga gana lėtai. Kai drėgmė viršija 50%, storis sparčiai auga. Palyginti su vandeniliu sujungta PVPON/PAA membrana, HEC/PAA membrana gali sugerti daugiau vandens iš aplinkos. Esant 70% santykinei oro drėgmei (25°C), PVPON/PAA plėvelės sustorėjimas siekia apie 4%, o HEC/PAA plėvelės – apie 18%. Rezultatai parodė, kad nors tam tikras kiekis OH grupių HEC/PAA sistemoje dalyvavo formuojant vandenilinius ryšius, aplinkoje vis tiek buvo nemažai OH grupių, sąveikaujančių su vandeniu. Todėl HEC/PAA sistema pasižymi geromis vandens sugėrimo savybėmis.
baigiant
(1) HPC/PAA sistema, turinti didžiausią vandenilio jungimosi laipsnį CE ir PAA, auga sparčiausiai, MC/PAA yra viduryje, o HEC/PAA yra žemiausia.
(2) HEC / PAA plėvelė parodė linijinį augimo režimą viso paruošimo proceso metu, o kitos dvi plėvelės MC / PAA ir HPC / PAA parodė eksponentinį augimą per pirmuosius keletą ciklų, o tada transformavosi į linijinį augimo režimą.
(3) CE/PAA plėvelės augimas labai priklauso nuo tirpalo pH. Kai tirpalo pH yra didesnis už kritinį tašką, PAA ir CE negali susijungti į plėvelę. Surinkta CE / PAA membrana buvo tirpi aukšto pH tirpaluose.
(4) Kadangi CE / PAA plėvelėje yra daug OH ir COOH, terminis apdorojimas daro ją kryžminiu ryšiu. Kryžminio ryšio CE/PAA membrana pasižymi geru stabilumu ir netirpi aukšto pH tirpaluose.
(5) CE / PAA plėvelė turi gerą vandens adsorbcijos gebą aplinkoje.
Paskelbimo laikas: 2023-02-18