सेलुलोज ईथर/पॉलीएक्रिलिक एसिड हाइड्रोजन बॉन्डिंग फिल्म

अनुसंधान बैकग्राउंड

सेल्यूलोज एक प्राकृतिक, प्रचुर और नवीकरणीय संसाधन होने के बावजूद, अपने अघुलनशील और सीमित घुलनशीलता गुणों के कारण व्यावहारिक अनुप्रयोगों में बड़ी चुनौतियों का सामना करता है। सेल्यूलोज संरचना में उच्च क्रिस्टलीयता और उच्च घनत्व वाले हाइड्रोजन बंधों के कारण यह प्रक्रिया के दौरान विघटित तो होता है लेकिन पिघलता नहीं है, और पानी तथा अधिकांश कार्बनिक विलायकों में अघुलनशील होता है। इसके व्युत्पन्न बहुलक श्रृंखला में एनहाइड्रोग्लूकोज इकाइयों पर मौजूद हाइड्रॉक्सिल समूहों के एस्टरीकरण और ईथरीकरण द्वारा उत्पादित होते हैं, और प्राकृतिक सेल्यूलोज की तुलना में कुछ भिन्न गुण प्रदर्शित करते हैं। सेल्यूलोज की ईथरीकरण अभिक्रिया से कई जल-घुलनशील सेल्यूलोज ईथर उत्पन्न हो सकते हैं, जैसे कि मिथाइल सेल्यूलोज (MC), हाइड्रॉक्सीएथिल सेल्यूलोज (HEC) और हाइड्रॉक्सीप्रोपाइल सेल्यूलोज (HPC), जिनका व्यापक रूप से खाद्य पदार्थों, सौंदर्य प्रसाधनों, फार्मास्यूटिकल्स और चिकित्सा में उपयोग किया जाता है। जल-घुलनशील CE, पॉलीकार्बोक्सिलिक अम्लों और पॉलीफेनोल्स के साथ हाइड्रोजन-बंधित बहुलक बना सकते हैं।

परत-दर-परत संयोजन (LBL) बहुलक मिश्रित पतली फिल्मों के निर्माण की एक प्रभावी विधि है। निम्नलिखित में मुख्य रूप से HEC, MC और HPC के तीन अलग-अलग संकलकों (CEs) का PAA के साथ LBL संयोजन का वर्णन किया गया है, उनके संयोजन व्यवहार की तुलना की गई है, और LBL संयोजन पर प्रतिस्थापकों के प्रभाव का विश्लेषण किया गया है। फिल्म की मोटाई पर pH के प्रभाव, फिल्म निर्माण और विघटन पर pH के विभिन्न अंतरों की जांच की गई है, और संकलक/PAA के जल अवशोषण गुणों का विकास किया गया है।

प्रायोगिक सामग्री:

पॉलीएक्रिलिक एसिड (पीएए, आणविक भार = 450,000)। हाइड्रॉक्सीएथिलसेलुलोज (एचईसी) के 2 भार% जलीय विलयन की श्यानता 300 एमपीए·सेकंड है, और प्रतिस्थापन की डिग्री 2.5 है। मिथाइलसेलुलोज (एमसी, 2 भार% जलीय विलयन जिसकी श्यानता 400 एमपीए·सेकंड और प्रतिस्थापन की डिग्री 1.8 है)। हाइड्रॉक्सीप्रोपिल सेलुलोज (एचपीसी, 2 भार% जलीय विलयन जिसकी श्यानता 400 एमपीए·सेकंड और प्रतिस्थापन की डिग्री 2.5 है)।

फिल्म की तैयारी:

25°C पर सिलिकॉन पर लिक्विड क्रिस्टल लेयर असेंबली द्वारा तैयार किया गया। स्लाइड मैट्रिक्स की उपचार विधि इस प्रकार है: अम्लीय विलयन (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/Vol) में 30 मिनट के लिए भिगोया गया, फिर विआयनीकृत जल से कई बार तब तक धोया गया जब तक कि pH उदासीन न हो जाए, और अंत में शुद्ध नाइट्रोजन से सुखाया गया। LBL असेंबली स्वचालित मशीनरी का उपयोग करके की गई। सब्सट्रेट को बारी-बारी से CE विलयन (0.2 mg/mL) और PAA विलयन (0.2 mg/mL) में भिगोया गया, प्रत्येक विलयन में 4 मिनट के लिए भिगोया गया। शिथिल रूप से जुड़े बहुलक को हटाने के लिए प्रत्येक विलयन में भिगोने के बीच विआयनीकृत जल में 1 मिनट के लिए तीन बार धोया गया। असेंबली विलयन और धुलाई विलयन दोनों का pH मान 2.0 पर समायोजित किया गया। तैयार की गई फिल्मों को (CE/PAA)n के रूप में दर्शाया गया है, जहाँ n असेंबली चक्र को दर्शाता है। मुख्य रूप से (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 और (HPC/PAA)30 तैयार की गईं।

फिल्म चरित्र चित्रण:

नैनोकैल्क-एक्सआर ओशन ऑप्टिक्स का उपयोग करके लगभग सामान्य परावर्तन स्पेक्ट्रा रिकॉर्ड और विश्लेषण किया गया, और सिलिकॉन पर जमा की गई फिल्मों की मोटाई मापी गई। एक खाली सिलिकॉन सब्सट्रेट को पृष्ठभूमि के रूप में उपयोग करके, सिलिकॉन सब्सट्रेट पर पतली फिल्म का FT-IR स्पेक्ट्रम निकोलेट 8700 इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमीटर पर एकत्र किया गया।

PAA और CE के बीच हाइड्रोजन बॉन्ड की परस्पर क्रिया:

HEC, MC और HPC को PAA के साथ मिलाकर LBL फ़िल्में बनाई गईं। चित्र में HEC/PAA, MC/PAA और HPC/PAA के अवरक्त स्पेक्ट्रा दिखाए गए हैं। HEC/PAA, MC/PAA और HPC/PAA के अवरक्त स्पेक्ट्रा में PAA और CES के प्रबल अवरक्त संकेत स्पष्ट रूप से देखे जा सकते हैं। FT-IR स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा विशिष्ट अवशोषण बैंडों के विस्थापन की निगरानी करके PAA और CES के बीच हाइड्रोजन बंध जटिलता का विश्लेषण किया जा सकता है। CES और PAA के बीच हाइड्रोजन बंध मुख्य रूप से CES के हाइड्रॉक्सिल ऑक्सीजन और PAA के COOH समूह के बीच होता है। हाइड्रोजन बंध बनने के बाद, खिंचाव शिखर कम आवृत्ति की दिशा में लाल रंग में स्थानांतरित हो जाता है।

शुद्ध PAA पाउडर के लिए 1710 cm⁻¹ का शिखर देखा गया। जब पॉलीएक्रिलामाइड को विभिन्न CE युक्त फिल्मों में संयोजित किया गया, तो HEC/PAA, MC/PAA और MPC/PAA फिल्मों के शिखर क्रमशः 1718 cm⁻¹, 1720 cm⁻¹ और 1724 cm⁻¹ पर स्थित थे। शुद्ध PAA पाउडर की तुलना में, HPC/PAA, MC/PAA और HEC/PAA फिल्मों के शिखर की लंबाई क्रमशः 14, 10 और 8 cm⁻¹ स्थानांतरित हो गई। ईथर ऑक्सीजन और COOH के बीच हाइड्रोजन बंध, COOH समूहों के बीच हाइड्रोजन बंध को बाधित करता है। PAA और CE के बीच जितने अधिक हाइड्रोजन बंध बनते हैं, IR स्पेक्ट्रा में CE/PAA का शिखर स्थानांतरण उतना ही अधिक होता है। HPC में हाइड्रोजन बंध जटिलता का स्तर सबसे अधिक है, PAA और MC मध्य में हैं, और HEC में सबसे कम है।

पीएए और सीई की मिश्रित फिल्मों का वृद्धि व्यवहार:

एलबीएल संयोजन के दौरान पीएए और सीई के फिल्म निर्माण व्यवहार का अध्ययन क्यूसीएम और स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमेट्री का उपयोग करके किया गया। क्यूसीएम प्रारंभिक कुछ संयोजन चक्रों के दौरान फिल्म वृद्धि की निगरानी के लिए प्रभावी है। स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमीटर 10 चक्रों से अधिक समय तक विकसित फिल्मों के लिए उपयुक्त हैं।

HEC/PAA फिल्म ने LBL असेंबली प्रक्रिया के दौरान रैखिक वृद्धि दिखाई, जबकि MC/PAA और HPC/PAA फिल्मों ने असेंबली के शुरुआती चरणों में घातीय वृद्धि दिखाई और फिर रैखिक वृद्धि में परिवर्तित हो गईं। रैखिक वृद्धि क्षेत्र में, जटिलता की डिग्री जितनी अधिक होगी, प्रति असेंबली चक्र मोटाई में वृद्धि उतनी ही अधिक होगी।

फिल्म निर्माण पर विलयन के पीएच का प्रभाव:

विलयन का pH मान हाइड्रोजन बंधित बहुलक मिश्रित फिल्म के विकास को प्रभावित करता है। एक दुर्बल बहुलक इलेक्ट्रोलाइट होने के कारण, विलयन का pH बढ़ने पर PAA आयनित होकर ऋणात्मक आवेशित हो जाता है, जिससे हाइड्रोजन बंध निर्माण बाधित होता है। जब PAA का आयनीकरण एक निश्चित स्तर पर पहुँच जाता है, तो LBL में हाइड्रोजन बंध ग्राही के साथ मिलकर फिल्म नहीं बना पाता।

विलयन के pH में वृद्धि के साथ फिल्म की मोटाई कम हो गई, और pH 2.5 HPC/PAA और pH 3.0-3.5 HPC/PAA पर फिल्म की मोटाई में अचानक कमी आई। HPC/PAA का क्रांतिक बिंदु लगभग pH 3.5 है, जबकि HEC/PAA का लगभग 3.0 है। इसका अर्थ है कि जब संयोजन विलयन का pH 3.5 से अधिक होता है, तो HPC/PAA फिल्म का निर्माण नहीं हो सकता है, और जब विलयन का pH 3.0 से अधिक होता है, तो HEC/PAA फिल्म का निर्माण नहीं हो सकता है। HPC/PAA झिल्ली के हाइड्रोजन बंध संकुलन की उच्च डिग्री के कारण, HPC/PAA झिल्ली का क्रांतिक pH मान HEC/PAA झिल्ली की तुलना में अधिक होता है। लवण-रहित विलयन में, HEC/PAA, MC/PAA और HPC/PAA द्वारा निर्मित संकुलों के क्रांतिक pH मान क्रमशः लगभग 2.9, 3.2 और 3.7 थे। एचपीसी/पीएए का क्रांतिक पीएच एचईसी/पीएए की तुलना में अधिक है, जो एलबीएल झिल्ली के पीएच के अनुरूप है।

सीई/पीएए झिल्ली की जल अवशोषण क्षमता:

CES में हाइड्रॉक्सिल समूह प्रचुर मात्रा में होते हैं, जिसके कारण इसमें जल अवशोषण और जल धारण क्षमता अच्छी होती है। HEC/PAA झिल्ली को उदाहरण के रूप में लेते हुए, वातावरण में मौजूद जल के प्रति हाइड्रोजन-बंधित CE/PAA झिल्ली की सोखने की क्षमता का अध्ययन किया गया। स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमेट्री द्वारा किए गए विश्लेषण के अनुसार, जल अवशोषण के साथ फिल्म की मोटाई बढ़ती है। जल अवशोषण संतुलन प्राप्त करने के लिए इसे 25°C तापमान पर 24 घंटे के लिए समायोज्य आर्द्रता वाले वातावरण में रखा गया। नमी को पूरी तरह से हटाने के लिए फिल्मों को 40°C तापमान पर 24 घंटे के लिए वैक्यूम ओवन में सुखाया गया।

आर्द्रता बढ़ने पर फिल्म मोटी हो जाती है। 30%-50% की कम आर्द्रता वाले क्षेत्र में, मोटाई में वृद्धि अपेक्षाकृत धीमी होती है। आर्द्रता 50% से अधिक होने पर, मोटाई तेजी से बढ़ती है। हाइड्रोजन-बंधित PVPON/PAA झिल्ली की तुलना में, HEC/PAA झिल्ली वातावरण से अधिक जल अवशोषित कर सकती है। 70% सापेक्ष आर्द्रता (25°C) की स्थिति में, PVPON/PAA फिल्म की मोटाई लगभग 4% तक बढ़ जाती है, जबकि HEC/PAA फिल्म की मोटाई लगभग 18% तक बढ़ जाती है। परिणामों से पता चला कि यद्यपि HEC/PAA प्रणाली में कुछ OH समूह हाइड्रोजन बंधों के निर्माण में भाग लेते हैं, फिर भी वातावरण में मौजूद जल के साथ परस्पर क्रिया करने वाले OH समूहों की संख्या काफी अधिक होती है। इसलिए, HEC/PAA प्रणाली में जल अवशोषण के अच्छे गुण हैं।

निष्कर्ष के तौर पर

(1) सीई और पीएए की उच्चतम हाइड्रोजन बॉन्डिंग डिग्री वाली एचपीसी/पीएए प्रणाली में सबसे तेज़ वृद्धि होती है, एमसी/पीएए मध्य में है, और एचईसी/पीएए सबसे कम है।

(2) एचईसी/पीएए फिल्म ने तैयारी प्रक्रिया के दौरान रैखिक वृद्धि मोड दिखाया, जबकि अन्य दो फिल्मों एमसी/पीएए और एचपीसी/पीएए ने पहले कुछ चक्रों में घातीय वृद्धि दिखाई, और फिर रैखिक वृद्धि मोड में बदल गई।

(3) सीई/पीएए फिल्म की वृद्धि विलयन के पीएच पर अत्यधिक निर्भर करती है। जब विलयन का पीएच उसके क्रांतिक बिंदु से अधिक होता है, तो पीएए और सीई फिल्म में एकत्रित नहीं हो पाते। एकत्रित सीई/पीएए झिल्ली उच्च पीएच विलयनों में घुलनशील थी।

(4) चूंकि सीई/पीएए फिल्म ओएच और सीओओएच से भरपूर है, इसलिए ऊष्मा उपचार इसे क्रॉस-लिंक्ड बना देता है। क्रॉस-लिंक्ड सीई/पीएए झिल्ली में अच्छी स्थिरता होती है और यह उच्च पीएच विलयनों में अघुलनशील होती है।

(5) सीई/पीएए फिल्म में पर्यावरण में पानी के लिए अच्छी सोखने की क्षमता होती है।