Cefndir Ymchwil
Fel adnodd naturiol, toreithiog ac adnewyddadwy, mae cellwlos yn wynebu heriau mawr mewn cymwysiadau ymarferol oherwydd ei briodweddau nad ydynt yn toddi ac sydd â hydoddedd cyfyngedig. Mae'r crisialedd uchel a'r bondiau hydrogen dwysedd uchel yn strwythur y cellwlos yn ei wneud yn diraddio ond nid yn toddi yn ystod y broses feddiannu, ac yn anhydawdd mewn dŵr a'r rhan fwyaf o doddyddion organig. Cynhyrchir eu deilliadau trwy esteriad ac etheriad y grwpiau hydroxyl ar yr unedau anhydroglwcos yn y gadwyn polymer, a byddant yn arddangos rhai priodweddau gwahanol o'i gymharu â cellwlos naturiol. Gall adwaith etheriad cellwlos gynhyrchu llawer o etherau cellwlos hydawdd mewn dŵr, megis methyl cellwlos (MC), hydroxyethyl cellwlos (HEC) a hydroxypropyl cellwlos (HPC), a ddefnyddir yn helaeth mewn bwyd, colur, mewn fferyllol a meddygaeth. Gall CE hydawdd mewn dŵr ffurfio polymerau â bondiau hydrogen gydag asidau polycarboxylig a polyffenolau.
Mae cydosod haen wrth haen (LBL) yn ddull effeithiol ar gyfer paratoi ffilmiau tenau cyfansawdd polymer. Mae'r canlynol yn disgrifio'n bennaf gydosod LBL tair CE gwahanol o HEC, MC a HPC gyda PAA, yn cymharu eu hymddygiad cydosod, ac yn dadansoddi dylanwad amnewidion ar gydosod LBL. Ymchwiliwch i effaith pH ar drwch ffilm, a'r gwahanol wahaniaethau pH ar ffurfio a diddymu ffilm, a datblygwch briodweddau amsugno dŵr CE/PAA.
Deunyddiau Arbrofol:
Asid polyacrylig (PAA, Mw = 450,000). Gludedd toddiant dyfrllyd 2% pwysau% o hydroxyethylcellulose (HEC) yw 300 mPa·s, a'r radd amnewidiad yw 2.5. Methylcellulose (MC, toddiant dyfrllyd 2% pwysau% gyda gludedd o 400 mPa·s a gradd amnewidiad o 1.8). Hydroxypropyl cellulose (HPC, toddiant dyfrllyd 2% pwysau% gyda gludedd o 400 mPa·s a gradd amnewidiad o 2.5).
Paratoi ffilm:
Wedi'i baratoi trwy gydosod haen grisial hylif ar silicon ar 25°C. Y dull trin ar gyfer y matrics sleid yw fel a ganlyn: socian mewn toddiant asidig (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) am 30 munud, yna rinsiwch â dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio sawl gwaith nes bod y pH yn dod yn niwtral, ac yn olaf sychwch â nitrogen pur. Perfformir cydosod LBL gan ddefnyddio peiriannau awtomatig. Socian y swbstrad yn ail mewn toddiant CE (0.2 mg/mL) a thoddiant PAA (0.2 mg/mL), socian pob toddiant am 4 munud. Perfformiwyd tair socian rinsiad o 1 munud yr un mewn dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio rhwng pob socian toddiant i gael gwared ar bolymer llac. Addaswyd gwerthoedd pH y toddiant cydosod a'r toddiant rinsio i pH 2.0. Dynodir y ffilmiau fel y'u paratowyd fel (CE/PAA)n, lle mae n yn dynodi'r cylch cydosod. Paratowyd (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 a (HPC/PAA)30 yn bennaf.
Nodweddu Ffilm:
Cofnodwyd a dadansoddwyd sbectrwm adlewyrchedd bron yn normal gyda NanoCalc-XR Ocean Optics, a mesurwyd trwch y ffilmiau a adneuwyd ar silicon. Gyda swbstrad silicon gwag fel cefndir, casglwyd sbectrwm FT-IR y ffilm denau ar y swbstrad silicon ar sbectromedr is-goch Nicolet 8700.
Rhyngweithiadau bond hydrogen rhwng PAA a CEs:
Cydosod HEC, MC a HPC gyda PAA yn ffilmiau LBL. Dangosir y sbectrwm is-goch o HEC/PAA, MC/PAA a HPC/PAA yn y ffigur. Gellir gweld signalau IR cryf PAA a CES yn glir yn y sbectrwm IR o HEC/PAA, MC/PAA a HPC/PAA. Gall sbectrosgopeg FT-IR ddadansoddi'r cymhlethdod bond hydrogen rhwng PAA a CES trwy fonitro sifftiad bandiau amsugno nodweddiadol. Mae'r bond hydrogen rhwng CES a PAA yn digwydd yn bennaf rhwng ocsigen hydroxyl CES a grŵp COOH PAA. Ar ôl i'r bond hydrogen gael ei ffurfio, mae'r brig coch ymestynnol yn symud i gyfeiriad amledd isel.
Gwelwyd brig o 1710 cm-1 ar gyfer powdr PAA pur. Pan gafodd polyacrylamid ei gydosod yn ffilmiau gyda gwahanol CEs, roedd copaon ffilmiau HEC/PAA, MC/PAA ac MPC/PAA wedi'u lleoli ar 1718 cm-1, 1720 cm-1 a 1724 cm-1, yn y drefn honno. O'i gymharu â phowdr PAA pur, symudodd hyd brig ffilmiau HPC/PAA, MC/PAA a HEC/PAA 14, 10 ac 8 cm−1, yn y drefn honno. Mae'r bond hydrogen rhwng yr ocsigen ether a COOH yn torri ar draws y bond hydrogen rhwng y grwpiau COOH. Po fwyaf o fondiau hydrogen a ffurfir rhwng PAA a CE, y mwyaf yw symudiad brig CE/PAA mewn sbectrwm IR. HPC sydd â'r radd uchaf o gymhlethdod bond hydrogen, mae PAA ac MC yn y canol, a HEC yw'r isaf.
Ymddygiad twf ffilmiau cyfansawdd o PAA a CEs:
Ymchwiliwyd i ymddygiad ffurfio ffilm PAA a CEs yn ystod cydosod LBL gan ddefnyddio QCM ac interferometreg sbectrol. Mae QCM yn effeithiol ar gyfer monitro twf ffilm in situ yn ystod yr ychydig gylchoedd cydosod cyntaf. Mae interferomedrau sbectrol yn addas ar gyfer ffilmiau a dyfir dros 10 cylch.
Dangosodd y ffilm HEC/PAA dwf llinol drwy gydol y broses gydosod LBL, tra bod y ffilmiau MC/PAA a HPC/PAA yn dangos twf esbonyddol yng nghyfnodau cynnar y cydosod ac yna'n trawsnewid yn dwf llinol. Yn y rhanbarth twf llinol, po uchaf yw graddfa'r cymhlethdod, y mwyaf yw twf y trwch fesul cylch cydosod.
Effaith pH hydoddiant ar dwf ffilm:
Mae gwerth pH y toddiant yn effeithio ar dwf y ffilm gyfansawdd polymer wedi'i bondio â hydrogen. Gan ei fod yn polyelectrolyt gwan, bydd PAA yn cael ei ïoneiddio a'i wefru'n negyddol wrth i pH y toddiant gynyddu, a thrwy hynny atal cysylltiad bond hydrogen. Pan gyrhaeddodd gradd ïoneiddio PAA lefel benodol, ni allai PAA ymgynnull i mewn i ffilm gyda derbynyddion bond hydrogen yn LBL.
Gostyngodd trwch y ffilm gyda chynnydd pH y toddiant, a gostyngodd trwch y ffilm yn sydyn ar pH2.5 HPC/PAA a pH3.0-3.5 HPC/PAA. Mae pwynt critigol HPC/PAA tua pH 3.5, tra bod pwynt critigol HEC/PAA tua 3.0. Mae hyn yn golygu pan fydd pH y toddiant cydosod yn uwch na 3.5, na ellir ffurfio'r ffilm HPC/PAA, a phan fydd pH y toddiant yn uwch na 3.0, ni ellir ffurfio'r ffilm HEC/PAA. Oherwydd y graddau uwch o gymhlethdod bondiau hydrogen pilen HPC/PAA, mae gwerth pH critigol pilen HPC/PAA yn uwch na gwerth pilen HEC/PAA. Mewn toddiant di-halen, roedd gwerthoedd pH critigol y cymhlygion a ffurfiwyd gan HEC/PAA, MC/PAA a HPC/PAA tua 2.9, 3.2 a 3.7, yn y drefn honno. Mae pH critigol HPC/PAA yn uwch na pH HEC/PAA, sy'n gyson â pH critigol pilen LBL.
Perfformiad amsugno dŵr pilen CE/PAA:
Mae CES yn gyfoethog mewn grwpiau hydroxyl fel ei fod yn amsugno dŵr ac yn cadw dŵr yn dda. Gan gymryd pilen HEC/PAA fel enghraifft, astudiwyd gallu amsugno pilen CE/PAA sydd wedi'i bondio â hydrogen i ddŵr yn yr amgylchedd. Wedi'i nodweddu gan interferometreg sbectrol, mae trwch y ffilm yn cynyddu wrth i'r ffilm amsugno dŵr. Fe'i gosodwyd mewn amgylchedd gyda lleithder addasadwy ar 25°C am 24 awr i gyflawni cydbwysedd amsugno dŵr. Sychwyd y ffilmiau mewn popty gwactod (40°C) am 24 awr i gael gwared ar y lleithder yn llwyr.
Wrth i'r lleithder gynyddu, mae'r ffilm yn tewhau. Yn yr ardal lleithder isel o 30%-50%, mae twf y trwch yn gymharol araf. Pan fydd y lleithder yn fwy na 50%, mae'r trwch yn tyfu'n gyflym. O'i gymharu â'r bilen PVPON/PAA â bondiau hydrogen, gall y bilen HEC/PAA amsugno mwy o ddŵr o'r amgylchedd. O dan yr amod lleithder cymharol o 70% (25°C), mae ystod tewhau ffilm PVPON/PAA tua 4%, tra bod ystod ffilm HEC/PAA mor uchel â thua 18%. Dangosodd y canlyniadau, er bod rhywfaint o grwpiau OH yn y system HEC/PAA wedi cymryd rhan yn ffurfio bondiau hydrogen, fod nifer sylweddol o grwpiau OH yn rhyngweithio â dŵr yn yr amgylchedd o hyd. Felly, mae gan y system HEC/PAA briodweddau amsugno dŵr da.
i gloi
(1) Y system HPC/PAA gyda'r radd bondio hydrogen uchaf o CE a PAA sydd â'r twf cyflymaf yn eu plith, mae MC/PAA yn y canol, a HEC/PAA yw'r isaf.
(2) Dangosodd y ffilm HEC/PAA ddull twf llinol drwy gydol y broses baratoi, tra bod y ddwy ffilm arall MC/PAA a HPC/PAA wedi dangos twf esbonyddol yn yr ychydig gylchoedd cyntaf, ac yna wedi trawsnewid i ddull twf llinol.
(3) Mae twf ffilm CE/PAA yn dibynnu'n gryf ar pH y toddiant. Pan fydd pH y toddiant yn uwch na'i bwynt critigol, ni all PAA a CE ymgynnull i greu ffilm. Roedd y bilen CE/PAA a ymgynnullwyd yn hydawdd mewn toddiannau pH uchel.
(4) Gan fod y ffilm CE/PAA yn gyfoethog mewn OH a COOH, mae triniaeth wres yn ei gwneud yn groesgysylltiedig. Mae gan y bilen CE/PAA groesgysylltiedig sefydlogrwydd da ac mae'n anhydawdd mewn toddiannau pH uchel.
(5) Mae gan y ffilm CE/PAA gapasiti amsugno da ar gyfer dŵr yn yr amgylchedd.
Amser postio: Chwefror-18-2023