Ցելյուլոզային եթեր/պոլիակրիլաթթվային ջրածնային կապող թաղանթ

Հետազոտական ​​նախապատմություն

Որպես բնական, առատ և վերականգնվող ռեսուրս, ցելյուլոզը գործնական կիրառություններում մեծ մարտահրավերների է բախվում իր չհալվող և սահմանափակ լուծելիության հատկությունների պատճառով: Ցելյուլոզի կառուցվածքում բարձր բյուրեղայնությունը և բարձր խտության ջրածնային կապերը այն քայքայելու, բայց չհալեցնելու պատճառ են դառնում ձևավորման գործընթացում, և անլուծելի են ջրում և օրգանական լուծիչների մեծ մասում: Դրանց ածանցյալները ստացվում են պոլիմերային շղթայում անհիդրոգլյուկոզային միավորների վրա հիդրօքսիլային խմբերի էսթերիֆիկացիայի և եթերիֆիկացիայի միջոցով և կցուցաբերեն որոշ տարբեր հատկություններ՝ համեմատած բնական ցելյուլոզի հետ: Ցելյուլոզի եթերիֆիկացման ռեակցիան կարող է առաջացնել բազմաթիվ ջրում լուծվող ցելյուլոզային եթերներ, ինչպիսիք են մեթիլցելյուլոզը (ՄՑ), հիդրօքսիէթիլցելյուլոզը (ՀԷՑ) և հիդրօքսիպրոպիլցելյուլոզը (ՀՊՑ), որոնք լայնորեն կիրառվում են սննդի, կոսմետիկայի, դեղագործության և բժշկության մեջ: Ջրում լուծվող ՔԷ-ն կարող է առաջացնել ջրածնային կապերով պոլիմերներ պոլիկարբօքսիլաթթուների և պոլիֆենոլների հետ:

Շերտ առ շերտ հավաքումը (ՇԿՀ) պոլիմերային կոմպոզիտային բարակ թաղանթներ պատրաստելու արդյունավետ մեթոդ է: Ստորև հիմնականում նկարագրվում է HEC, MC և HPC երեք տարբեր CE-ների ՇԿՀ ​​հավաքումը PAA-ի հետ, համեմատվում է դրանց հավաքման վարքագիծը և վերլուծվում է փոխարինիչների ազդեցությունը ՇԿՀ հավաքման վրա: Հետազոտեք pH-ի ազդեցությունը թաղանթի հաստության վրա և pH-ի տարբեր տարբերությունները թաղանթի ձևավորման և լուծարման վրա, և զարգացրեք CE/PAA-ի ջրի կլանման հատկությունները:

Փորձարարական նյութեր՝

Պոլիակրիլաթթու (PAA, Mw = 450,000): Հիդրօքսիէթիլցելյուլոզի (HEC) 2 զանգվածային % ջրային լուծույթի մածուցիկությունը 300 մՊա·վ է, իսկ փոխարինման աստիճանը՝ 2.5: Մեթիլցելյուլոզ (MC, 2 զանգվածային % ջրային լուծույթ՝ 400 մՊա·վ մածուցիկությամբ և 1.8 փոխարինման աստիճանով): Հիդրօքսիպրոպիլցելյուլոզ (HPC, 2 զանգվածային % ջրային լուծույթ՝ 400 մՊա·վ մածուցիկությամբ և 2.5 փոխարինման աստիճանով):

Ֆիլմի պատրաստում.

Պատրաստվել է սիլիցիումի վրա հեղուկ բյուրեղային շերտի հավաքման միջոցով 25°C ջերմաստիճանում: Սահիկային մատրիցի մշակման մեթոդը հետևյալն է. 30 րոպե թրջել թթվային լուծույթում (H2SO4/H2O2, 7/3 Vol/VOL), ապա մի քանի անգամ լվանալ ապաիոնացված ջրով, մինչև pH-ը դառնա չեզոք, և վերջապես չորացնել մաքուր ազոտով: LBL հավաքումը կատարվում է ավտոմատ մեքենաների միջոցով: Հիմքը հերթագայաբար թրջվել է CE լուծույթում (0.2 մգ/մլ) և PAA լուծույթում (0.2 մգ/մլ), յուրաքանչյուր լուծույթ թրջվել է 4 րոպե: Յուրաքանչյուր լուծույթի թրջման միջև կատարվել է ապաիոնացված ջրում 1 րոպե տևողությամբ երեք լվացում` թույլ կպած պոլիմերը հեռացնելու համար: Հավաքման լուծույթի և լվացման լուծույթի pH արժեքները երկուսն էլ կարգավորվել են pH 2.0-ի: Պատրաստված թաղանթները նշանակվում են որպես (CE/PAA)n, որտեղ n-ը նշանակում է հավաքման ցիկլը: Հիմնականում պատրաստվել են (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 և (HPC/PAA)30:

Ֆիլմի բնութագրում.

Գրանցվել և վերլուծվել են գրեթե նորմալ անդրադարձման սպեկտրներ NanoCalc-XR Ocean Optics-ի միջոցով, և չափվել է սիլիցիումի վրա նստեցված թաղանթների հաստությունը: Որպես ֆոն՝ դատարկ սիլիցիումային հիմքով, սիլիցիումային հիմքի վրա գտնվող բարակ թաղանթի FT-IR սպեկտրը հավաքվել է Nicolet 8700 ինֆրակարմիր սպեկտրոմետրի վրա:

PAA-ի և CE-ի միջև ջրածնային կապերի փոխազդեցությունը.

HEC, MC և HPC-ի հավաքումը PAA-ի հետ LBL թաղանթների մեջ: HEC/PAA, MC/PAA և HPC/PAA-ի ինֆրակարմիր սպեկտրները ներկայացված են նկարում: PAA-ի և CES-ի ուժեղ ինֆրակարմիր ազդանշանները կարելի է հստակ դիտարկել HEC/PAA, MC/PAA և HPC/PAA-ի ինֆրակարմիր սպեկտրներում: FT-IR սպեկտրոսկոպիան կարող է վերլուծել PAA-ի և CES-ի միջև ջրածնային կապի կոմպլեքսացումը՝ վերահսկելով բնութագրական կլանման գոտիների տեղաշարժը: CES-ի և PAA-ի միջև ջրածնային կապը հիմնականում տեղի է ունենում CES-ի հիդրօքսիլ թթվածնի և PAA-ի COOH խմբի միջև: Ջրածնային կապի առաջացումից հետո ձգվող գագաթնակետի կարմիրը տեղաշարժվում է ցածր հաճախականության ուղղությամբ:

Մաքուր PAA փոշու համար դիտվել է 1710 սմ-1 գագաթնակետ։ Երբ պոլիակրիլամիդը հավաքվել է տարբեր CE-ներով թաղանթների մեջ, HEC/PAA, MC/PAA և MPC/PAA թաղանթների գագաթնակետերը համապատասխանաբար գտնվել են 1718 սմ-1, 1720 սմ-1 և 1724 սմ-1: Մաքուր PAA փոշու համեմատ, HPC/PAA, MC/PAA և HEC/PAA թաղանթների գագաթնակետերի երկարությունները տեղաշարժվել են համապատասխանաբար 14, 10 և 8 սմ-1-ով: Եթերային թթվածնի և COOH-ի միջև ջրածնային կապը խզում է COOH խմբերի միջև ջրածնային կապը: Որքան շատ ջրածնային կապեր են առաջանում PAA-ի և CE-ի միջև, այնքան մեծ է CE/PAA-ի գագաթնակետի տեղաշարժը ինֆրակարմիր սպեկտրներում: HPC-ն ունի ջրածնային կապի կոմպլեքսացման ամենաբարձր աստիճանը, PAA-ն և MC-ն գտնվում են միջինում, իսկ HEC-ն՝ ամենացածրը:

PAA և CE կոմպոզիտային թաղանթների աճի վարքագիծը.

PAA-ի և CE-ների թաղանթագոյացման վարքագիծը LBL հավաքման ընթացքում ուսումնասիրվել է QCM-ի և սպեկտրալ ինտերֆերոմետրիայի միջոցով: QCM-ը արդյունավետ է թաղանթի աճը տեղում մոնիթորինգի համար առաջին մի քանի հավաքման ցիկլերի ընթացքում: Սպեկտրալ ինտերֆերոմետրերը հարմար են 10 ցիկլի ընթացքում աճեցված թաղանթների համար:

HEC/PAA թաղանթը LBL հավաքման ողջ գործընթացի ընթացքում ցույց տվեց գծային աճ, մինչդեռ MC/PAA և HPC/PAA թաղանթները հավաքման վաղ փուլերում ցույց տվեցին էքսպոնենցիալ աճ, ապա վերածվեցին գծային աճի: Գծային աճի շրջանում, որքան բարձր է կոմպլեքսացման աստիճանը, այնքան մեծ է հաստության աճը հավաքման յուրաքանչյուր ցիկլի ընթացքում:

Լուծույթի pH-ի ազդեցությունը թաղանթի աճի վրա.

Լուծույթի pH արժեքը ազդում է ջրածնային կապերով պոլիմերային կոմպոզիտային թաղանթի աճի վրա: Որպես թույլ պոլիէլեկտրոլիտ, PAA-ն իոնացվում է և բացասական լիցքավորվում լուծույթի pH-ի բարձրացմանը զուգընթաց, այդպիսով խոչընդոտելով ջրածնային կապերի կապը: Երբ PAA-ի իոնացման աստիճանը հասնում է որոշակի մակարդակի, PAA-ն չի կարող հավաքվել LBL-ում ջրածնային կապերի ակցեպտորներով թաղանթի մեջ:

Թաղանթի հաստությունը նվազում էր լուծույթի pH-ի բարձրացման հետ մեկտեղ, և թաղանթի հաստությունը կտրուկ նվազում էր pH2.5 HPC/PAA և pH3.0-3.5 HPC/PAA-ի դեպքում: HPC/PAA-ի կրիտիկական կետը մոտ pH 3.5 է, մինչդեռ HEC/PAA-ինը՝ մոտ 3.0: Սա նշանակում է, որ երբ հավաքման լուծույթի pH-ը բարձր է 3.5-ից, HPC/PAA թաղանթը չի կարող ձևավորվել, իսկ երբ լուծույթի pH-ը բարձր է 3.0-ից, HEC/PAA թաղանթը չի կարող ձևավորվել: HPC/PAA թաղանթի ջրածնային կապերի կոմպլեքսացման ավելի բարձր աստիճանի պատճառով HPC/PAA թաղանթի կրիտիկական pH արժեքը ավելի բարձր է, քան HEC/PAA թաղանթինը: Աղ չպարունակող լուծույթում HEC/PAA, MC/PAA և HPC/PAA-ի կողմից ձևավորված կոմպլեքսների կրիտիկական pH արժեքները համապատասխանաբար մոտ 2.9, 3.2 և 3.7 էին: HPC/PAA-ի կրիտիկական pH-ը ավելի բարձր է, քան HEC/PAA-ինը, ինչը համապատասխանում է LBL թաղանթի pH-ին։

CE/PAA թաղանթի ջրի կլանման կատարողականը.

CES-ը հարուստ է հիդրօքսիլային խմբերով, ուստի այն ունի լավ ջրի կլանում և պահպանում: HEC/PAA թաղանթի օրինակով ուսումնասիրվել է ջրածնային կապերով կապված CE/PAA թաղանթի շրջակա միջավայրի ջրի հետ ադսորբցիայի ունակությունը: Սպեկտրալ ինտերֆերոմետրիայով բնութագրվում է, որ թաղանթի հաստությունը մեծանում է ջուրը կլանումուն զուգընթաց: Այն տեղադրվել է 25°C կարգավորելի խոնավությամբ միջավայրում 24 ժամ՝ ջրի կլանման հավասարակշռություն ապահովելու համար: Թաղանթները չորացվել են վակուումային վառարանում (40°C) 24 ժամ՝ խոնավությունն ամբողջությամբ հեռացնելու համար:

Խոնավության բարձրացմանը զուգընթաց թաղանթը խտանում է։ 30%-50% ցածր խոնավության տիրույթում հաստության աճը համեմատաբար դանդաղ է։ Երբ խոնավությունը գերազանցում է 50%-ը, հաստությունը արագ աճում է։ Համեմատած ջրածնային կապերով PVPON/PAA թաղանթի հետ, HEC/PAA թաղանթը կարող է ավելի շատ ջուր կլանել շրջակա միջավայրից։ 70% հարաբերական խոնավության պայմաններում (25°C) PVPON/PAA թաղանթի խտացման միջակայքը կազմում է մոտ 4%, մինչդեռ HEC/PAA թաղանթինը հասնում է մոտ 18%-ի։ Արդյունքները ցույց են տվել, որ չնայած HEC/PAA համակարգում OH խմբերի որոշակի քանակություն մասնակցել է ջրածնային կապերի առաջացմանը, դեռևս զգալի թվով OH խմբեր են փոխազդել շրջակա միջավայրի ջրի հետ։ Հետևաբար, HEC/PAA համակարգն ունի լավ ջրակլանման հատկություններ։

եզրակացության մեջ

(1) CE-ի և PAA-ի ամենաբարձր ջրածնային կապերի աստիճան ունեցող HPC/PAA համակարգն ունի դրանց մեջ ամենաարագ աճը, MC/PAA-ն միջինում է, իսկ HEC/PAA-ն՝ ամենացածրը։

(2) HEC/PAA թաղանթը պատրաստման ողջ գործընթացի ընթացքում ցույց տվեց գծային աճի ռեժիմ, մինչդեռ մյուս երկու թաղանթները՝ MC/PAA-ն և HPC/PAA-ն, առաջին մի քանի ցիկլերի ընթացքում ցույց տվեցին էքսպոնենցիալ աճ, ապա վերածվեցին գծային աճի ռեժիմի։

(3) CE/PAA թաղանթի աճը ուժեղ կախվածություն ունի լուծույթի pH-ից: Երբ լուծույթի pH-ը բարձր է իր կրիտիկական կետից, PAA-ն և CE-ն չեն կարող հավաքվել թաղանթի մեջ: Հավաքված CE/PAA թաղանթը լուծելի էր բարձր pH լուծույթներում:

(4) Քանի որ CE/PAA թաղանթը հարուստ է OH-ով և COOH-ով, ջերմային մշակումը այն դարձնում է խաչաձև կապված։ Խաչաձև կապված CE/PAA թաղանթը լավ կայունություն ունի և անլուծելի է բարձր pH լուծույթներում։

(5) CE/PAA թաղանթը շրջակա միջավայրում ջրի լավ կլանման ունակություն ունի։