Перадгісторыя даследавання
Як прыродны, багаты і аднаўляльны рэсурс, цэлюлоза сутыкаецца з вялікімі праблемамі ў практычным прымяненні з-за сваіх уласцівасцей неплаўлення і абмежаванай растваральнасці. Высокая крышталічнасць і высокая шчыльнасць вадародных сувязяў у структуры цэлюлозы прымушаюць яе раскладацца, але не плавіцца падчас працэсу валодання, і яна нерастваральная ў вадзе і большасці арганічных растваральнікаў. Іх вытворныя атрымліваюць шляхам этэрыфікацыі і этэрыфікацыі гідраксільных груп на ангідраглюкозных адзінках у палімерным ланцугу і будуць праяўляць некаторыя адрозненні ўласцівасцей у параўнанні з натуральнай цэлюлозай. Рэакцыя этэрыфікацыі цэлюлозы можа генераваць многія водарастваральныя эфіры цэлюлозы, такія як метылцэлюлоза (MC), гідраксіэтылцэлюлоза (HEC) і гідраксіпрапілцэлюлоза (HPC), якія шырока выкарыстоўваюцца ў харчовай прамысловасці, касметыцы, фармацэўтыцы і медыцыне. Вадарастваральны CE можа ўтвараць вадародныя палімеры з полікарбонавымі кіслотамі і поліфеноламі.
Паслойная зборка (ПЗС) — эфектыўны метад падрыхтоўкі тонкіх палімерных кампазітных плёнак. Ніжэй у асноўным апісваецца ПЗС трох розных КЭ з ГЭК, МК і ГПЦ з ПАК, параўноўваюцца іх паводзіны пры зборцы і аналізуецца ўплыў замяшчальнікаў на зборку ПЗС. Даследуецца ўплыў pH на таўшчыню плёнкі і розныя адрозненні pH на ўтварэнне і растварэнне плёнкі, а таксама распрацаваны водапаглынальныя ўласцівасці КЭ/ПАК.
Эксперыментальныя матэрыялы:
Поліакрылавая кіслата (PAA, Mw = 450 000). Глейкасць 2%-нага воднага раствора гідраксіэтылцэлюлозы (HEC) складае 300 мПа·с, а ступень замяшчэння — 2,5. Метылцэлюлоза (MC, 2%-ны водны раствор з глейкасцю 400 мПа·с і ступенню замяшчэння 1,8). Гідраксіпрапілцэлюлоза (HPC, 2%-ны водны раствор з глейкасцю 400 мПа·с і ступенню замяшчэння 2,5).
Падрыхтоўка фільма:
Падрыхтавана шляхам зборкі пласта вадкіх крышталяў на крэмніі пры тэмпературы 25°C. Спосаб апрацоўкі матрыцы слайда наступны: замочванне ў кіслым растворы (H2SO4/H2O2, 7/3 аб'ём/аб'ём) на працягу 30 хвілін, затым некалькі разоў прамыванне дэіянізаванай вадой, пакуль pH не стане нейтральным, і, нарэшце, сушка чыстым азотам. Зборка LBL выконваецца з выкарыстаннем аўтаматычнага абсталявання. Падкладку па чарзе замочвалі ў растворы CE (0,2 мг/мл) і растворы PAA (0,2 мг/мл), кожны раствор замочвалі на працягу 4 хвілін. Паміж кожным замочваннем у растворы праводзілі тры прамыванні па 1 хвіліне ў дэіянізаванай вадзе для выдалення слаба прымацаванага палімера. Значэнні pH раствора для зборкі і раствора для прамывання даводзілі да pH 2,0. Падрыхтаваныя плёнкі пазначаюцца як (CE/PAA)n, дзе n абазначае цыкл зборкі. У асноўным былі падрыхтаваны (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 і (HPC/PAA)30.
Характарыстыка фільма:
Спектры адлюстравання, блізкія да нармальнага, былі запісаны і прааналізаваны з дапамогай NanoCalc-XR Ocean Optics, а таксама была вымерана таўшчыня плёнак, нанесеных на крэмній. З выкарыстаннем пустой крэмніевай падкладкі ў якасці фону, ІЧ-спектр тонкай плёнкі на крэмніевай падкладцы быў сабраны на інфрачырвоным спектрометры Nicolet 8700.
Узаемадзеянне вадародных сувязяў паміж PAA і CE:
Зборка HEC, MC і HPC з PAA ў плёнкі LBL. Інфрачырвоныя спектры HEC/PAA, MC/PAA і HPC/PAA паказаны на малюнку. Моцныя ІЧ-сігналы PAA і CES можна выразна назіраць у ІЧ-спектрах HEC/PAA, MC/PAA і HPC/PAA. ІЧ-спектраскапія з Фур'е можа аналізаваць комплексаўтварэнне вадародных сувязей паміж PAA і CES, кантралюючы зрушэнне характэрных палос паглынання. Вадародная сувязь паміж CES і PAA у асноўным узнікае паміж гідраксільным кіслародам CES і COOH-групай PAA. Пасля ўтварэння вадароднай сувязі чырвоны пік валентнасці зрушваецца ў бок нізкачастотнага кірунку.
Пік 1710 см-1 назіраўся для чыстага парашка PAA. Пры зборцы поліакрыламіду ў плёнкі з рознымі CE пікі плёнак HEC/PAA, MC/PAA і MPC/PAA знаходзіліся пры 1718 см-1, 1720 см-1 і 1724 см-1 адпаведна. У параўнанні з чыстым парашком PAA, даўжыні пікаў плёнак HPC/PAA, MC/PAA і HEC/PAA зрушыліся на 14, 10 і 8 см-1 адпаведна. Вадародная сувязь паміж кіслародам эфіру і COOH перарывае вадародную сувязь паміж групамі COOH. Чым больш вадародных сувязей утвараецца паміж PAA і CE, тым большы зрух піка CE/PAA ў ІЧ-спектрах. HPC мае найвышэйшую ступень комплексаўтварэння вадародных сувязей, PAA і MC знаходзяцца пасярэдзіне, а HEC - найменшую.
Рост кампазітных плёнак з PAA і CE:
Плёнкаўтваральныя паводзіны PAA і CE падчас зборкі LBL былі даследаваны з дапамогай квантавай мікраскапіі (ККМ) і спектральнай інтэрфераметрыі. ККМ эфектыўны для маніторынгу росту плёнкі in situ на працягу першых некалькіх цыклаў зборкі. Спектральныя інтэрферометры падыходзяць для плёнак, вырашчаных на працягу 10 цыклаў.
Плёнка HEC/PAA дэманстравала лінейны рост на працягу ўсяго працэсу зборкі LBL, у той час як плёнкі MC/PAA і HPC/PAA дэманстравалі экспанентны рост на ранніх стадыях зборкі, а затым пераходзілі ў лінейны рост. У вобласці лінейнага росту, чым вышэйшая ступень комплексаўтварэння, тым большы рост таўшчыні за цыкл зборкі.
Уплыў pH раствора на рост плёнкі:
Значэнне pH раствора ўплывае на рост вадародна-сувязнай палімернай кампазітнай плёнкі. Як слабы поліэлектраліт, PAA будзе іянізаваны і адмоўна зараджацца па меры павышэння pH раствора, тым самым перашкаджаючы асацыяцыі вадародных сувязей. Калі ступень іянізацыі PAA дасягала пэўнага ўзроўню, PAA не мог сабрацца ў плёнку з акцэптарамі вадародных сувязей у LBL.
Таўшчыня плёнкі памяншалася з павелічэннем pH раствора, і таўшчыня плёнкі рэзка памяншалася пры pH 2,5 HPC/PAA і pH 3,0-3,5 HPC/PAA. Крытычная кропка HPC/PAA складае каля pH 3,5, а для HEC/PAA — каля 3,0. Гэта азначае, што калі pH раствора для зборкі вышэй за 3,5, плёнка HPC/PAA не можа ўтварыцца, а калі pH раствора вышэй за 3,0, плёнка HEC/PAA не можа ўтварыцца. З-за больш высокай ступені комплексаўтварэння вадародных сувязей мембраны HPC/PAA крытычнае значэнне pH мембраны HPC/PAA вышэйшае, чым у мембраны HEC/PAA. У бессалявым растворы крытычныя значэнні pH комплексаў, утвораных HEC/PAA, MC/PAA і HPC/PAA, складалі каля 2,9, 3,2 і 3,7 адпаведна. Крытычны pH HPC/PAA вышэйшы, чым у HEC/PAA, што адпавядае pH мембраны LBL.
Водапаглынальныя характарыстыкі мембраны CE/PAA:
CES багаты гідраксільнымі групамі, таму ён добра паглынае і ўтрымлівае ваду. На прыкладзе мембраны HEC/PAA была вывучана адсарбцыйная здольнасць мембраны CE/PAA з вадароднымі сувязямі да вады ў асяроддзі. Таўшчыня плёнкі, якая характарызавалася спектральнай інтэрфераметрыяй, павялічвалася па меры паглынання вады. Яе змяшчалі ў асяроддзе з рэгуляванай вільготнасцю пры тэмпературы 25°C на 24 гадзіны для дасягнення раўнавагі паглынання вады. Плёнкі сушылі ў вакуумнай печы (40°C) на працягу 24 гадзін для поўнага выдалення вільгаці.
Па меры павышэння вільготнасці плёнка патаўшчаецца. У вобласці нізкай вільготнасці 30%-50% рост таўшчыні адбываецца адносна павольна. Калі вільготнасць перавышае 50%, таўшчыня расце хутка. У параўнанні з мембранай PVPON/PAA з вадароднымі сувязямі, мембрана HEC/PAA можа паглынаць больш вады з навакольнага асяроддзя. Пры адноснай вільготнасці 70% (25°C) дыяпазон патаўшчэння плёнкі PVPON/PAA складае каля 4%, у той час як для плёнкі HEC/PAA ён дасягае каля 18%. Вынікі паказалі, што, хоць пэўная колькасць OH-груп у сістэме HEC/PAA ўдзельнічае ва ўтварэнні вадародных сувязей, усё ж значная колькасць OH-груп узаемадзейнічае з вадой у навакольным асяроддзі. Такім чынам, сістэма HEC/PAA мае добрыя ўласцівасці паглынання вады.
у заключэнне
(1) Сістэма HPC/PAA з найвышэйшай ступенню вадародных сувязяў CE і PAA мае найбольш хуткі рост сярод іх, MC/PAA знаходзіцца пасярэдзіне, а HEC/PAA мае найменшую.
(2) Плёнка HEC/PAA дэманстравала лінейны рэжым росту на працягу ўсяго працэсу падрыхтоўкі, у той час як дзве іншыя плёнкі MC/PAA і HPC/PAA дэманстравалі экспанентны рост у першыя некалькі цыклаў, а затым перайшлі ў лінейны рэжым росту.
(3) Рост плёнкі CE/PAA моцна залежыць ад pH раствора. Калі pH раствора вышэйшы за крытычны пункт, PAA і CE не могуць сабрацца ў плёнку. Сабраная мембрана CE/PAA растваральная ў растворах з высокім pH.
(4) Паколькі плёнка CE/PAA багатая на OH і COOH, тэрмічная апрацоўка робіць яе зшытай. Зшытая мембрана CE/PAA мае добрую стабільнасць і нерастваральная ў растворах з высокім pH.
(5) Плёнка CE/PAA мае добрую адсарбцыйную здольнасць да вады ў навакольным асяроддзі.
Час публікацыі: 18 лютага 2023 г.