Navorsingsagtergrond
As 'n natuurlike, oorvloedige en hernubare hulpbron, ondervind sellulose groot uitdagings in praktiese toepassings as gevolg van sy nie-smeltende en beperkte oplosbaarheidseienskappe. Die hoë kristalliniteit en hoëdigtheid waterstofbindings in die sellulosestruktuur maak dat dit afbreek, maar nie smelt tydens die besittingsproses nie, en onoplosbaar is in water en die meeste organiese oplosmiddels. Hul derivate word geproduseer deur die esterifikasie en eterifikasie van die hidroksielgroepe op die anhidroglukose-eenhede in die polimeerketting, en sal 'n paar verskillende eienskappe vertoon in vergelyking met natuurlike sellulose. Die eterifikasiereaksie van sellulose kan baie wateroplosbare sellulose-eters genereer, soos metielsellulose (MC), hidroksietielsellulose (HEC) en hidroksipropielsellulose (HPC), wat wyd gebruik word in voedsel, skoonheidsmiddels, farmaseutiese produkte en medisyne. Wateroplosbare CE kan waterstofgebonde polimere vorm met polikarboksielsure en polifenole.
Laag-vir-laag-samestelling (LBL) is 'n effektiewe metode vir die voorbereiding van polimeer-saamgestelde dunfilms. Die volgende beskryf hoofsaaklik die LBL-samestelling van drie verskillende CE's van HEC, MC en HPC met PAA, vergelyk hul samestellingsgedrag en analiseer die invloed van substituente op LBL-samestelling. Ondersoek die effek van pH op filmdikte, en die verskillende verskille in pH op filmvorming en -oplossing, en ontwikkel die waterabsorpsie-eienskappe van CE/PAA.
Eksperimentele Materiaal:
Poliakrielsuur (PAA, Mw = 450 000). Die viskositeit van 'n 2 gew.% waterige oplossing van hidroksietielsellulose (HEC) is 300 mPa·s, en die substitusiegraad is 2.5. Metielsellulose (MC, 'n 2 gew.% waterige oplossing met 'n viskositeit van 400 mPa·s en 'n substitusiegraad van 1.8). Hidroksipropielsellulose (HPC, 'n 2 gew.% waterige oplossing met 'n viskositeit van 400 mPa·s en 'n substitusiegraad van 2.5).
Filmvoorbereiding:
Voorberei deur vloeibare kristallaag-samestelling op silikon teen 25°C. Die behandelingsmetode van die skyfie-matriks is soos volg: week in suuroplossing (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) vir 30 minute, spoel dan 'n paar keer met gedeïoniseerde water totdat die pH neutraal word, en droog uiteindelik met suiwer stikstof. LBL-samestelling word uitgevoer met behulp van outomatiese masjinerie. Die substraat is afwisselend geweek in CE-oplossing (0.2 mg/mL) en PAA-oplossing (0.2 mg/mL), elke oplossing is vir 4 minute geweek. Drie spoelweek van 1 minuut elk in gedeïoniseerde water is tussen elke oplossingweek uitgevoer om losweg aangehegte polimeer te verwyder. Die pH-waardes van die samestellingsoplossing en die spoeloplossing is albei aangepas na pH 2.0. Die soos-voorbereide films word aangedui as (CE/PAA)n, waar n die samestellingsiklus aandui. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 en (HPC/PAA)30 is hoofsaaklik voorberei.
Filmkarakterisering:
Naby-normale reflektansiespektra is opgeneem en geanaliseer met NanoCalc-XR Ocean Optics, en die dikte van films wat op silikon neergelê is, is gemeet. Met 'n leë silikonsubstraat as agtergrond, is die FT-IR-spektrum van die dun film op die silikonsubstraat versamel op 'n Nicolet 8700 infrarooispektrometer.
Waterstofbindingsinteraksies tussen PAA en CE's:
Samestelling van HEC, MC en HPC met PAA in LBL-films. Die infrarooi spektra van HEC/PAA, MC/PAA en HPC/PAA word in die figuur getoon. Die sterk IR-seine van PAA en CES kan duidelik waargeneem word in die IR-spektra van HEC/PAA, MC/PAA en HPC/PAA. FT-IR-spektroskopie kan die waterstofbindingskompleksering tussen PAA en CES analiseer deur die verskuiwing van kenmerkende absorpsiebande te monitor. Die waterstofbinding tussen CES en PAA vind hoofsaaklik plaas tussen die hidroksielsuurstof van CES en die COOH-groep van PAA. Nadat die waterstofbinding gevorm is, verskuif die strekpiekrooi na die lae frekwensierigting.
'n Piek van 1710 cm⁻¹ is waargeneem vir suiwer PAA-poeier. Toe poliakrielamied in films met verskillende CE's saamgestel is, was die pieke van HEC/PAA-, MC/PAA- en MPC/PAA-films onderskeidelik by 1718 cm⁻¹, 1720 cm⁻¹ en 1724 cm⁻¹ geleë. In vergelyking met suiwer PAA-poeier het die pieklengtes van HPC/PAA-, MC/PAA- en HEC/PAA-films onderskeidelik met 14, 10 en 8 cm⁻¹ verskuif. Die waterstofbinding tussen die etersuurstof en COOH onderbreek die waterstofbinding tussen die COOH-groepe. Hoe meer waterstofbindings tussen PAA en CE gevorm word, hoe groter is die piekverskuiwing van CE/PAA in IR-spektra. HPC het die hoogste graad van waterstofbindingkompleksering, PAA en MC is in die middel, en HEC is die laagste.
Groeigedrag van saamgestelde films van PAA en CE's:
Die filmvormingsgedrag van PAA en CE's tydens LBL-samestelling is ondersoek met behulp van QCM en spektrale interferometrie. QCM is effektief vir die monitering van filmgroei in situ gedurende die eerste paar samestellingsiklusse. Spektrale interferometers is geskik vir films wat oor 10 siklusse gekweek word.
Die HEC/PAA-film het 'n lineêre groei deur die LBL-monteringsproses getoon, terwyl die MC/PAA- en HPC/PAA-films 'n eksponensiële groei in die vroeë stadiums van montering getoon het en toe in 'n lineêre groei omgeskakel het. In die lineêre groeigebied, hoe hoër die graad van kompleksering, hoe groter die diktegroei per monteringsiklus.
Effek van oplossing pH op filmgroei:
Die pH-waarde van die oplossing beïnvloed die groei van die waterstofgebonde polimeer-saamgestelde film. As 'n swak polielektroliet sal PAA geïoniseerd en negatief gelaai word soos die pH van die oplossing toeneem, wat die assosiasie van waterstofbindings inhibeer. Wanneer die graad van ionisasie van PAA 'n sekere vlak bereik het, kon PAA nie in 'n film met waterstofbindingsakseptore in LBL saamstel nie.
Die filmdikte het afgeneem met die toename in oplossing se pH, en die filmdikte het skielik afgeneem by pH2.5 HPC/PAA en pH3.0-3.5 HPC/PAA. Die kritieke punt van HPC/PAA is ongeveer pH 3.5, terwyl dié van HEC/PAA ongeveer 3.0 is. Dit beteken dat wanneer die pH van die samestellingsoplossing hoër as 3.5 is, die HPC/PAA-film nie gevorm kan word nie, en wanneer die pH van die oplossing hoër as 3.0 is, die HEC/PAA-film nie gevorm kan word nie. As gevolg van die hoër graad van waterstofbindingkompleksering van die HPC/PAA-membraan, is die kritieke pH-waarde van die HPC/PAA-membraan hoër as dié van die HEC/PAA-membraan. In 'n soutvrye oplossing was die kritieke pH-waardes van die komplekse wat deur HEC/PAA, MC/PAA en HPC/PAA gevorm word, onderskeidelik ongeveer 2.9, 3.2 en 3.7. Die kritieke pH van HPC/PAA is hoër as dié van HEC/PAA, wat ooreenstem met dié van die LBL-membraan.
Waterabsorpsieprestasie van CE/PAA-membraan:
CES is ryk aan hidroksielgroepe, sodat dit goeie waterabsorpsie en waterretensie het. Deur die HEC/PAA-membraan as voorbeeld te neem, is die adsorpsiekapasiteit van waterstofgebonde CE/PAA-membraan tot water in die omgewing bestudeer. Gekarakteriseer deur spektrale interferometrie, neem die filmdikte toe namate die film water absorbeer. Dit is vir 24 uur in 'n omgewing met verstelbare humiditeit by 25°C geplaas om waterabsorpsie-ewewig te bereik. Die films is vir 24 uur in 'n vakuumoond (40°C) gedroog om die vog heeltemal te verwyder.
Soos die humiditeit toeneem, verdik die film. In die lae humiditeitsgebied van 30%-50% is die diktegroei relatief stadig. Wanneer die humiditeit 50% oorskry, groei die dikte vinnig. In vergelyking met die waterstofgebonde PVPON/PAA-membraan, kan die HEC/PAA-membraan meer water uit die omgewing absorbeer. Onder die toestand van relatiewe humiditeit van 70% (25°C) is die verdikkingsreeks van die PVPON/PAA-film ongeveer 4%, terwyl dié van die HEC/PAA-film so hoog as ongeveer 18% is. Die resultate het getoon dat hoewel 'n sekere hoeveelheid OH-groepe in die HEC/PAA-stelsel deelgeneem het aan die vorming van waterstofbindings, daar steeds 'n aansienlike aantal OH-groepe was wat met water in die omgewing interaksie het. Daarom het die HEC/PAA-stelsel goeie waterabsorpsie-eienskappe.
ten slotte
(1) Die HPC/PAA-stelsel met die hoogste waterstofbindingsgraad van CE en PAA het die vinnigste groei onder hulle, MC/PAA is in die middel, en HEC/PAA is die laagste.
(2) Die HEC/PAA-film het 'n lineêre groeimodus dwarsdeur die voorbereidingsproses getoon, terwyl die ander twee films MC/PAA en HPC/PAA 'n eksponensiële groei in die eerste paar siklusse getoon het, en toe in 'n lineêre groeimodus omgeskakel het.
(3) Die groei van CE/PAA-film is sterk afhanklik van die oplossing se pH. Wanneer die oplossing se pH hoër is as sy kritieke punt, kan PAA en CE nie in 'n film saamstel nie. Die saamgestelde CE/PAA-membraan was oplosbaar in oplossings met 'n hoë pH.
(4) Aangesien die CE/PAA-film ryk is aan OH en COOH, maak hittebehandeling dit kruisgebind. Die kruisgebinde CE/PAA-membraan het goeie stabiliteit en is onoplosbaar in hoë pH-oplossings.
(5) Die CE/PAA-film het goeie adsorpsievermoë vir water in die omgewing.
Plasingstyd: 18 Februarie 2023