Tədqiqat Arxa Planı
Təbii, bol və bərpa olunan bir qaynaq olaraq, sellüloza əriməməsi və məhdud həllolma xüsusiyyətlərinə görə praktik tətbiqlərdə böyük çətinliklərlə qarşılaşır. Sellüloza strukturundakı yüksək kristallik və yüksək sıxlıqlı hidrogen rabitələri onu parçalanmasına, lakin saxlama prosesində əriməməsinə və suda və əksər üzvi həlledicilərdə həll olmamasına səbəb olur. Onların törəmələri polimer zəncirindəki anhidroqlükoza vahidlərindəki hidroksil qruplarının esterifikasiyası və efirləşdirilməsi yolu ilə istehsal olunur və təbii sellüloza ilə müqayisədə bəzi fərqli xüsusiyyətlər nümayiş etdirir. Sellülozanın eterifikasiya reaksiyası qida, kosmetika, əczaçılıq və tibbdə geniş istifadə olunan metil sellüloza (MC), hidroksietil sellüloza (HEC) və hidroksipropil sellüloza (HPC) kimi bir çox suda həll olan sellüloza efirləri yarada bilər. Suda həll olan CE polikarbon turşuları və polifenollar ilə hidrogenlə əlaqəli polimerlər əmələ gətirə bilər.
Təbəqə-təbəqə yığımı (LBL) polimer kompozit nazik təbəqələrin hazırlanması üçün təsirli bir üsuldur. Aşağıda əsasən PAA ilə HEC, MC və HPC-nin üç fərqli CE-sinin LBL yığımı təsvir edilir, onların yığılma davranışı müqayisə edilir və əvəzedicilərin LBL yığımına təsiri təhlil edilir. PH-ın təbəqə qalınlığına təsirini və pH-ın təbəqə əmələ gəlməsi və həll olmasına müxtəlif fərqlərini araşdırın və CE/PAA-nın su udma xüsusiyyətlərini inkişaf etdirin.
Təcrübə materialları:
Poliakril turşusu (PAA, Mw = 450.000). Hidroksietilsellüloza (HEC) 2 çəki %-li sulu məhlulunun özlülüyü 300 mPa·s, əvəzetmə dərəcəsi isə 2,5-dir. Metilsellüloza (MC, özlülüyü 400 mPa·s və əvəzetmə dərəcəsi 1,8 olan 2 çəki %-li sulu məhlul). Hidroksipropilsellüloza (HPC, özlülüyü 400 mPa·s və əvəzetmə dərəcəsi 2,5 olan 2 çəki %-li sulu məhlul).
Filmin hazırlanması:
25°C-də silikon üzərində maye kristal təbəqə yığımı ilə hazırlanır. Slayd matrisinin emal üsulu aşağıdakı kimidir: turşu məhlulunda (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 dəqiqə isladın, sonra pH neytrallaşana qədər bir neçə dəfə deionlaşdırılmış su ilə yuyun və nəhayət təmiz azotla qurudun. LBL yığımı avtomatik maşınlardan istifadə etməklə həyata keçirilir. Substrat növbə ilə CE məhlulunda (0,2 mq/ml) və PAA məhlulunda (0,2 mq/ml) isladılır, hər məhlul 4 dəqiqə isladılır. Boş yapışmış polimeri çıxarmaq üçün hər məhlul islatma arasında hər biri 1 dəqiqəlik deionlaşdırılmış suda üç dəfə yaxalama həyata keçirilir. Yığım məhlulunun və yaxalama məhlulunun pH dəyərləri pH 2.0-a uyğunlaşdırılır. Hazırlanmış təbəqələr (CE/PAA)n kimi işarələnir, burada n yığım dövrünü göstərir. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 və (HPC/PAA)30 əsasən hazırlanır.
Film Xarakteristikası:
Normala yaxın əksetmə spektrləri qeydə alınmış və NanoCalc-XR Ocean Optics ilə təhlil edilmiş və silikon üzərinə çökmüş təbəqələrin qalınlığı ölçülmüşdür. Arxa plan olaraq boş silikon substrat götürülərək, silikon substrat üzərindəki nazik təbəqənin FT-IR spektri Nicolet 8700 infraqırmızı spektrometrində toplanmışdır.
PAA və CE-lər arasında hidrogen rabitəsi qarşılıqlı təsirləri:
HEC, MC və HPC-nin PAA ilə LBL filmlərinə yığılması. HEC/PAA, MC/PAA və HPC/PAA-nın infraqırmızı spektrləri şəkildə göstərilib. PAA və CES-in güclü İQ siqnalları HEC/PAA, MC/PAA və HPC/PAA-nın İQ spektrlərində aydın şəkildə müşahidə edilə bilər. FT-IR spektroskopiyası xarakterik udma zolaqlarının yerdəyişməsini izləməklə PAA və CES arasındakı hidrogen rabitəsi kompleksləşməsini təhlil edə bilər. CES və PAA arasındakı hidrogen rabitəsi əsasən CES-in hidroksil oksigeni ilə PAA-nın COOH qrupu arasında baş verir. Hidrogen rabitəsi əmələ gəldikdən sonra, dartılma zirvəsi qırmızısı aşağı tezlikli istiqamətə doğru dəyişir.
Təmiz PAA tozu üçün 1710 sm-1 pik müşahidə edildi. Poliakrilamid müxtəlif CE-ləri olan təbəqələrə yığıldıqda, HEC/PAA, MC/PAA və MPC/PAA təbəqələrinin pikləri müvafiq olaraq 1718 sm-1, 1720 sm-1 və 1724 sm-1-də yerləşirdi. Təmiz PAA tozu ilə müqayisədə HPC/PAA, MC/PAA və HEC/PAA təbəqələrinin pik uzunluqları müvafiq olaraq 14, 10 və 8 sm−1 sürüşmüşdür. Efir oksigeni və COOH arasındakı hidrogen rabitəsi COOH qrupları arasındakı hidrogen rabitəsini kəsir. PAA və CE arasında nə qədər çox hidrogen rabitəsi əmələ gəlirsə, İQ spektrlərində CE/PAA-nın pik sürüşməsi bir o qədər böyük olur. HPC ən yüksək hidrogen rabitəsi kompleksləşmə dərəcəsinə malikdir, PAA və MC ortada, HEC isə ən aşağıdır.
PAA və CE-lərin kompozit filmlərinin böyümə davranışı:
LBL yığımı zamanı PAA və CE-lərin film əmələ gətirmə davranışı QCM və spektral interferometriya istifadə edilərək araşdırılmışdır. QCM ilk bir neçə yığım dövrü ərzində film böyüməsini yerində izləmək üçün təsirlidir. Spektral interferometrlər 10 dövr ərzində yetişdirilən filmlər üçün uyğundur.
HEC/PAA filmi LBL yığma prosesi boyunca xətti artım göstərdi, MC/PAA və HPC/PAA filmləri isə yığmanın erkən mərhələlərində eksponensial artım göstərdi və sonra xətti böyüməyə çevrildi. Xətti böyümə bölgəsində kompleksləşmə dərəcəsi nə qədər yüksəkdirsə, hər yığma dövrü üçün qalınlıq artımı bir o qədər çoxdur.
Məhlulun pH-nın film böyüməsinə təsiri:
Məhlulun pH dəyəri hidrogenlə əlaqəli polimer kompozit təbəqəsinin böyüməsinə təsir göstərir. Zəif polielektrolit kimi, məhlulun pH dəyəri artdıqca PAA ionlaşacaq və mənfi yüklənəcək və bununla da hidrogen rabitəsi əlaqəsini maneə törədəcək. PAA-nın ionlaşma dərəcəsi müəyyən bir səviyyəyə çatdıqda, PAA LBL-də hidrogen rabitəsi qəbulediciləri olan təbəqəyə yığıla bilməyəcək.
Məhlulun pH-ı artdıqca təbəqə qalınlığı azalmış və təbəqə qalınlığı pH2.5 HPC/PAA və pH3.0-3.5 HPC/PAA-da qəfil azalmışdır. HPC/PAA-nın kritik nöqtəsi təxminən pH 3.5, HEC/PAA-nınkı isə təxminən 3.0-dur. Bu o deməkdir ki, montaj məhlulunun pH-ı 3.5-dən yüksək olduqda, HPC/PAA təbəqəsi əmələ gələ bilməz və məhlulun pH-ı 3.0-dan yüksək olduqda, HEC/PAA təbəqəsi əmələ gələ bilməz. HPC/PAA membranının hidrogen rabitəsi kompleksləşməsinin daha yüksək dərəcəsinə görə, HPC/PAA membranının kritik pH dəyəri HEC/PAA membranınınkından daha yüksəkdir. Duzsuz məhlulda HEC/PAA, MC/PAA və HPC/PAA tərəfindən əmələ gələn komplekslərin kritik pH dəyərləri müvafiq olaraq təxminən 2.9, 3.2 və 3.7 olmuşdur. HPC/PAA-nın kritik pH dəyəri HEC/PAA-nınkından daha yüksəkdir ki, bu da LBL membranınınkına uyğundur.
CE/PAA membranının su udma performansı:
CES hidroksil qrupları ilə zəngindir, buna görə də yaxşı su udma və su saxlama qabiliyyətinə malikdir. HEC/PAA membranını nümunə götürərək, hidrogenlə əlaqəli CE/PAA membranının ətraf mühitdə suya adsorbsiya qabiliyyəti öyrənilmişdir. Spektral interferometriya ilə xarakterizə olunan film suyu udduqca film qalınlığı artır. Su udma tarazlığına nail olmaq üçün 24 saat ərzində 25°C-də tənzimlənən rütubətli bir mühitə yerləşdirilmişdir. Rütubəti tamamilə aradan qaldırmaq üçün filmlər vakuum sobasında (40°C) 24 saat qurudulmuşdur.
Rütubət artdıqca təbəqə qalınlaşır. 30%-50% aşağı rütubət sahəsində qalınlığın artması nisbətən yavaş olur. Rütubət 50%-dən çox olduqda qalınlıq sürətlə artır. Hidrogenlə əlaqəli PVPON/PAA membranı ilə müqayisədə HEC/PAA membranı ətraf mühitdən daha çox su uda bilir. Nisbi rütubət 70% (25°C) olduqda, PVPON/PAA təbəqəsinin qalınlaşma diapazonu təxminən 4%, HEC/PAA təbəqəsinin qalınlaşma diapazonu isə təxminən 18%-ə qədərdir. Nəticələr göstərdi ki, HEC/PAA sistemində müəyyən miqdarda OH qrupu hidrogen rabitələrinin əmələ gəlməsində iştirak etsə də, ətraf mühitdə su ilə qarşılıqlı təsir göstərən xeyli sayda OH qrupu var idi. Buna görə də, HEC/PAA sistemi yaxşı su udma xüsusiyyətlərinə malikdir.
nəticədə
(1) CE və PAA-nın ən yüksək hidrogen rabitə dərəcəsinə malik HPC/PAA sistemi, onların arasında ən sürətli böyüməyə malikdir, MC/PAA ortada, HEC/PAA isə ən aşağı səviyyədədir.
(2) HEC/PAA filmi hazırlıq prosesi boyunca xətti böyümə rejimi göstərdi, digər iki film olan MC/PAA və HPC/PAA isə ilk bir neçə dövrdə eksponensial artım göstərdi və sonra xətti böyümə rejiminə çevrildi.
(3) CE/PAA filminin böyüməsi məhlulun pH səviyyəsindən güclü şəkildə asılıdır. Məhlulun pH səviyyəsi kritik nöqtəsindən yüksək olduqda, PAA və CE bir film halına gələ bilməz. Yığılmış CE/PAA membranı yüksək pH məhlullarında həll olurdu.
(4) CE/PAA filmi OH və COOH ilə zəngin olduğundan, istilik emalı onu çarpaz əlaqəli hala gətirir. Çarpaz əlaqəli CE/PAA membranı yaxşı stabilliyə malikdir və yüksək pH məhlullarında həll olunmur.
(5) CE/PAA filmi ətraf mühitdə su üçün yaxşı adsorbsiya qabiliyyətinə malikdir.
Yayımlanma vaxtı: 18 Fevral 2023