Latar Belakang Penelitian
Sebagai sumber daya alam yang melimpah dan terbarukan, selulosa menghadapi tantangan besar dalam aplikasi praktis karena sifatnya yang tidak meleleh dan kelarutannya yang terbatas. Kristalinitas yang tinggi dan ikatan hidrogen dengan kepadatan tinggi dalam struktur selulosa membuatnya terdegradasi tetapi tidak meleleh selama proses kepemilikan, dan tidak larut dalam air dan sebagian besar pelarut organik. Turunannya dihasilkan melalui esterifikasi dan eterifikasi gugus hidroksil pada unit anhydroglukosa dalam rantai polimer, dan akan menunjukkan beberapa sifat yang berbeda dibandingkan dengan selulosa alami. Reaksi eterifikasi selulosa dapat menghasilkan banyak eter selulosa yang larut dalam air, seperti metil selulosa (MC), hidroksietil selulosa (HEC), dan hidroksipropil selulosa (HPC), yang banyak digunakan dalam makanan, kosmetik, farmasi, dan obat-obatan. Selulosa yang larut dalam air dapat membentuk polimer berikatan hidrogen dengan asam polikarboksilat dan polifenol.
Perakitan lapis demi lapis (LBL) adalah metode efektif untuk menyiapkan film tipis komposit polimer. Berikut ini terutama menjelaskan perakitan LBL dari tiga jenis CE yang berbeda, yaitu HEC, MC, dan HPC dengan PAA, membandingkan perilaku perakitannya, dan menganalisis pengaruh substituen pada perakitan LBL. Penelitian ini juga menyelidiki pengaruh pH pada ketebalan film, perbedaan pH pada pembentukan dan pelarutan film, serta mengembangkan sifat penyerapan air dari CE/PAA.
Bahan Percobaan:
Asam poliakrilat (PAA, Mw = 450.000). Viskositas larutan berair hidroksietilselulosa (HEC) 2% berat adalah 300 mPa·s, dan derajat substitusinya adalah 2,5. Metilselulosa (MC, larutan berair 2% berat dengan viskositas 400 mPa·s dan derajat substitusi 1,8). Hidroksipropil selulosa (HPC, larutan berair 2% berat dengan viskositas 400 mPa·s dan derajat substitusi 2,5).
Persiapan film:
Dibuat dengan perakitan lapisan kristal cair pada silikon pada suhu 25°C. Metode perlakuan matriks slide adalah sebagai berikut: direndam dalam larutan asam (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) selama 30 menit, kemudian dibilas dengan air deionisasi beberapa kali hingga pH menjadi netral, dan akhirnya dikeringkan dengan nitrogen murni. Perakitan LBL dilakukan menggunakan mesin otomatis. Substrat direndam secara bergantian dalam larutan CE (0,2 mg/mL) dan larutan PAA (0,2 mg/mL), masing-masing larutan direndam selama 4 menit. Tiga kali perendaman bilas masing-masing 1 menit dalam air deionisasi dilakukan di antara setiap perendaman larutan untuk menghilangkan polimer yang menempel longgar. Nilai pH larutan perakitan dan larutan bilas keduanya disesuaikan menjadi pH 2,0. Film yang telah disiapkan dilambangkan sebagai (CE/PAA)n, di mana n menunjukkan siklus perakitan. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 dan (HPC/PAA)30 terutama disiapkan.
Penggambaran Karakter dalam Film:
Spektrum reflektansi mendekati normal direkam dan dianalisis dengan NanoCalc-XR Ocean Optics, dan ketebalan film yang diendapkan pada silikon diukur. Dengan substrat silikon kosong sebagai latar belakang, spektrum FT-IR dari film tipis pada substrat silikon dikumpulkan pada spektrometer inframerah Nicolet 8700.
Interaksi ikatan hidrogen antara PAA dan CE:
Perakitan HEC, MC, dan HPC dengan PAA menjadi film LBL. Spektrum inframerah HEC/PAA, MC/PAA, dan HPC/PAA ditunjukkan pada gambar. Sinyal IR yang kuat dari PAA dan CES dapat diamati dengan jelas dalam spektrum IR HEC/PAA, MC/PAA, dan HPC/PAA. Spektroskopi FT-IR dapat menganalisis kompleksasi ikatan hidrogen antara PAA dan CES dengan memantau pergeseran pita serapan karakteristik. Ikatan hidrogen antara CES dan PAA terutama terjadi antara oksigen hidroksil CES dan gugus COOH PAA. Setelah ikatan hidrogen terbentuk, puncak peregangan bergeser ke arah frekuensi rendah.
Puncak pada 1710 cm⁻¹ diamati untuk bubuk PAA murni. Ketika poliakrilamida dirakit menjadi film dengan CE yang berbeda, puncak film HEC/PAA, MC/PAA, dan MPC/PAA masing-masing terletak pada 1718 cm⁻¹, 1720 cm⁻¹, dan 1724 cm⁻¹. Dibandingkan dengan bubuk PAA murni, panjang puncak film HPC/PAA, MC/PAA, dan HEC/PAA bergeser masing-masing sebesar 14, 10, dan 8 cm⁻¹. Ikatan hidrogen antara oksigen eter dan COOH mengganggu ikatan hidrogen antara gugus COOH. Semakin banyak ikatan hidrogen yang terbentuk antara PAA dan CE, semakin besar pergeseran puncak CE/PAA dalam spektrum IR. HPC memiliki tingkat kompleksasi ikatan hidrogen tertinggi, PAA dan MC berada di tengah, dan HEC terendah.
Perilaku pertumbuhan film komposit PAA dan CE:
Perilaku pembentukan film PAA dan CE selama perakitan LBL diselidiki menggunakan QCM dan interferometri spektral. QCM efektif untuk memantau pertumbuhan film secara in situ selama beberapa siklus perakitan pertama. Interferometer spektral cocok untuk film yang tumbuh lebih dari 10 siklus.
Film HEC/PAA menunjukkan pertumbuhan linier sepanjang proses perakitan LBL, sedangkan film MC/PAA dan HPC/PAA menunjukkan pertumbuhan eksponensial pada tahap awal perakitan dan kemudian berubah menjadi pertumbuhan linier. Di wilayah pertumbuhan linier, semakin tinggi derajat kompleksasi, semakin besar pertumbuhan ketebalan per siklus perakitan.
Pengaruh pH larutan terhadap pertumbuhan film:
Nilai pH larutan memengaruhi pertumbuhan film komposit polimer berikatan hidrogen. Sebagai polielektrolit lemah, PAA akan terionisasi dan bermuatan negatif seiring peningkatan pH larutan, sehingga menghambat pembentukan ikatan hidrogen. Ketika derajat ionisasi PAA mencapai tingkat tertentu, PAA tidak dapat membentuk film dengan akseptor ikatan hidrogen dalam LBL.
Ketebalan film menurun seiring dengan peningkatan pH larutan, dan ketebalan film menurun secara tiba-tiba pada pH 2,5 HPC/PAA dan pH 3,0-3,5 HPC/PAA. Titik kritis HPC/PAA sekitar pH 3,5, sedangkan HEC/PAA sekitar 3,0. Ini berarti bahwa ketika pH larutan perakitan lebih tinggi dari 3,5, film HPC/PAA tidak dapat terbentuk, dan ketika pH larutan lebih tinggi dari 3,0, film HEC/PAA tidak dapat terbentuk. Karena tingkat kompleksasi ikatan hidrogen yang lebih tinggi pada membran HPC/PAA, nilai pH kritis membran HPC/PAA lebih tinggi daripada membran HEC/PAA. Dalam larutan bebas garam, nilai pH kritis kompleks yang terbentuk oleh HEC/PAA, MC/PAA, dan HPC/PAA masing-masing sekitar 2,9, 3,2, dan 3,7. pH kritis HPC/PAA lebih tinggi daripada pH kritis HEC/PAA, yang konsisten dengan pH kritis membran LBL.
Kinerja penyerapan air membran CE/PAA:
CES kaya akan gugus hidroksil sehingga memiliki daya serap dan retensi air yang baik. Mengambil membran HEC/PAA sebagai contoh, kapasitas adsorpsi membran CE/PAA yang terikat hidrogen terhadap air di lingkungan dipelajari. Dikarakterisasi dengan interferometri spektral, ketebalan film meningkat seiring dengan penyerapan air oleh film. Film tersebut ditempatkan dalam lingkungan dengan kelembaban yang dapat diatur pada suhu 25°C selama 24 jam untuk mencapai keseimbangan penyerapan air. Film dikeringkan dalam oven vakum (40°C) selama 24 jam untuk menghilangkan kelembaban sepenuhnya.
Seiring meningkatnya kelembapan, lapisan film menebal. Di area kelembapan rendah 30%-50%, pertumbuhan ketebalan relatif lambat. Ketika kelembapan melebihi 50%, ketebalan tumbuh dengan cepat. Dibandingkan dengan membran PVPON/PAA yang terikat hidrogen, membran HEC/PAA dapat menyerap lebih banyak air dari lingkungan. Pada kondisi kelembapan relatif 70% (25°C), kisaran penebalan film PVPON/PAA sekitar 4%, sedangkan film HEC/PAA mencapai sekitar 18%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa meskipun sejumlah gugus OH dalam sistem HEC/PAA berpartisipasi dalam pembentukan ikatan hidrogen, masih ada sejumlah besar gugus OH yang berinteraksi dengan air di lingkungan. Oleh karena itu, sistem HEC/PAA memiliki sifat penyerapan air yang baik.
Kesimpulannya
(1) Sistem HPC/PAA dengan derajat ikatan hidrogen tertinggi antara CE dan PAA memiliki pertumbuhan tercepat di antara sistem lainnya, MC/PAA berada di tengah, dan HEC/PAA memiliki pertumbuhan terendah.
(2) Film HEC/PAA menunjukkan mode pertumbuhan linier sepanjang proses persiapan, sedangkan dua film lainnya MC/PAA dan HPC/PAA menunjukkan pertumbuhan eksponensial pada beberapa siklus pertama, dan kemudian berubah menjadi mode pertumbuhan linier.
(3) Pertumbuhan film CE/PAA sangat bergantung pada pH larutan. Ketika pH larutan lebih tinggi dari titik kritisnya, PAA dan CE tidak dapat membentuk film. Membran CE/PAA yang terbentuk larut dalam larutan pH tinggi.
(4) Karena film CE/PAA kaya akan OH dan COOH, perlakuan panas membuatnya terikat silang. Membran CE/PAA yang terikat silang memiliki stabilitas yang baik dan tidak larut dalam larutan pH tinggi.
(5) Film CE/PAA mempunyai kapasitas adsorpsi yang baik untuk air di lingkungan.
Waktu posting: 18 Februari 2023