ცელულოზის ეთერის/პოლიაკრილის მჟავას წყალბადის შემაკავშირებელი ფენა

კვლევის ფონი

როგორც ბუნებრივი, უხვი და განახლებადი რესურსი, ცელულოზა პრაქტიკულ გამოყენებაში დიდ გამოწვევებს აწყდება მისი არადნობისა და შეზღუდული ხსნადობის თვისებების გამო. ცელულოზის სტრუქტურაში მაღალი კრისტალურობა და მაღალი სიმკვრივის წყალბადური ბმები აიძულებს მას დაშლილიყო, მაგრამ არ დნებოდა დალექვის პროცესში და უხსნადია წყალში და უმეტეს ორგანულ გამხსნელებში. მათი წარმოებულები მიიღება პოლიმერულ ჯაჭვში ანჰიდროგლუკოზის ერთეულებზე ჰიდროქსილის ჯგუფების ეთერიფიკაციით და ეთერიფიკაციით და ავლენენ გარკვეულ განსხვავებულ თვისებებს ბუნებრივ ცელულოზასთან შედარებით. ცელულოზის ეთერიფიკაციის რეაქციამ შეიძლება წარმოქმნას წყალში ხსნადი ცელულოზის ეთერების დიდი რაოდენობა, როგორიცაა მეთილცელულოზა (MC), ჰიდროქსიეთილცელულოზა (HEC) და ჰიდროქსიპროპილცელულოზა (HPC), რომლებიც ფართოდ გამოიყენება საკვებში, კოსმეტიკაში, ფარმაცევტულ და მედიცინაში. წყალში ხსნად CE-ს შეუძლია წარმოქმნას წყალბადური ბმებიანი პოლიმერები პოლიკარბოქსილის მჟავებთან და პოლიფენოლებთან.

ფენა-ფენა აწყობა (LBL) პოლიმერული კომპოზიტური თხელი ფენების მომზადების ეფექტური მეთოდია. ქვემოთ ძირითადად აღწერილია HEC, MC და HPC სამი განსხვავებული CE-ს LBL აწყობა PAA-სთან, შედარებულია მათი აწყობის ქცევა და გაანალიზებულია ჩამნაცვლებლების გავლენა LBL აწყობაზე. გამოიკვლიეთ pH-ის გავლენა ფენის სისქეზე და pH-ის სხვადასხვა განსხვავება ფენის ფორმირებასა და გახსნაზე და განავითარეთ CE/PAA-ს წყლის შთანთქმის თვისებები.

ექსპერიმენტული მასალები:

პოლიაკრილის მჟავა (PAA, Mw = 450,000). ჰიდროქსიეთილცელულოზის (HEC) 2 წონითი %-იანი წყალხსნარის სიბლანტეა 300 mPa·s, ხოლო ჩანაცვლების ხარისხი 2.5. მეთილცელულოზა (MC, 2 წონითი %-იანი წყალხსნარი 400 mPa·s სიბლანტით და 1.8 ჩანაცვლების ხარისხით). ჰიდროქსიპროპილცელულოზა (HPC, 2 წონითი %-იანი წყალხსნარი 400 mPa·s სიბლანტით და 2.5 ჩანაცვლების ხარისხით).

ფილმის მომზადება:

მომზადებულია სილიკონზე თხევადკრისტალური ფენის აწყობით 25°C ტემპერატურაზე. სლაიდის მატრიცის დამუშავების მეთოდი შემდეგია: მჟავე ხსნარში (H2SO4/H2O2, 7/3 მოც./მოც.) 30 წუთის განმავლობაში დალბობა, შემდეგ რამდენჯერმე გარეცხვა დეიონიზებული წყლით, სანამ pH ნეიტრალური არ გახდება და ბოლოს გაშრობა სუფთა აზოტით. LBL აწყობა ხორციელდება ავტომატური დანადგარების გამოყენებით. სუბსტრატი მონაცვლეობით ირეცხებოდა CE ხსნარში (0.2 მგ/მლ) და PAA ხსნარში (0.2 მგ/მლ), თითოეული ხსნარი ირეცხებოდა 4 წუთის განმავლობაში. თითოეულ ხსნარში დალბობას შორის ჩატარდა სამი 1 წუთიანი გარეცხვა დეიონიზებულ წყალში, რათა მოეშორებინათ ფხვიერად მიმაგრებული პოლიმერი. აწყობის ხსნარისა და გამრეცხი ხსნარის pH მნიშვნელობები დარეგულირებული იყო pH 2.0-მდე. მომზადებული ფირები აღნიშნულია, როგორც (CE/PAA)n, სადაც n აღნიშნავს აწყობის ციკლს. ძირითადად მომზადდა (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 და (HPC/PAA)30.

ფილმის დახასიათება:

თითქმის ნორმალური არეკვლის სპექტრები ჩაიწერა და გაანალიზდა NanoCalc-XR Ocean Optics-ის გამოყენებით და გაიზომა სილიციუმზე დალექილი აპკების სისქე. ფონად ცარიელი სილიციუმის სუბსტრატის გამოყენებით, სილიციუმის სუბსტრატზე არსებული თხელი აპკის FT-IR სპექტრი შეგროვდა Nicolet 8700 ინფრაწითელი სპექტრომეტრით.

წყალბადის ბმების ურთიერთქმედება PAA-სა და CE-ს შორის:

HEC, MC და HPC-ის PAA-სთან ერთად LBL ფენებად აწყობა. HEC/PAA, MC/PAA და HPC/PAA-ს ინფრაწითელი სპექტრები ნაჩვენებია ნახაზზე. PAA-სა და CES-ის ძლიერი ინფრაწითელი სიგნალები ნათლად ჩანს HEC/PAA, MC/PAA და HPC/PAA-ს ინფრაწითელ სპექტრებში. FT-IR სპექტროსკოპიით შესაძლებელია PAA-სა და CES-ს შორის წყალბადური ბმის კომპლექსაციის ანალიზი დამახასიათებელი შთანთქმის ზოლების გადაადგილების მონიტორინგით. CES-სა და PAA-ს შორის წყალბადური ბმა ძირითადად ხდება CES-ის ჰიდროქსილ ჟანგბადსა და PAA-ს COOH ჯგუფს შორის. წყალბადური ბმის წარმოქმნის შემდეგ, გაჭიმვის პიკის წითელი ფერი დაბალი სიხშირის მიმართულებით გადაინაცვლებს.

სუფთა PAA ფხვნილისთვის დაფიქსირდა 1710 სმ-1 პიკი. როდესაც პოლიაკრილამიდი სხვადასხვა CE-ს მქონე ფირებად იქნა აწყობილი, HEC/PAA, MC/PAA და MPC/PAA ფირების პიკები შესაბამისად 1718 სმ-1, 1720 სმ-1 და 1724 სმ-1-ზე იყო განლაგებული. სუფთა PAA ფხვნილთან შედარებით, HPC/PAA, MC/PAA და HEC/PAA ფირების პიკის სიგრძეები შესაბამისად 14, 10 და 8 სმ-1-ით გადაიწია. ეთერულ ჟანგბადსა და COOH-ს შორის წყალბადის ბმა წყვეტს COOH ჯგუფებს შორის წყალბადის ბმას. რაც უფრო მეტი წყალბადის ბმა წარმოიქმნება PAA-სა და CE-ს შორის, მით უფრო დიდია CE/PAA-ს პიკის წანაცვლება ინფრაწითელ სპექტრში. HPC-ს აქვს წყალბადის ბმის კომპლექსაციის ყველაზე მაღალი ხარისხი, PAA და MC შუაშია, ხოლო HEC ყველაზე დაბალია.

PAA-სა და CE-ს კომპოზიტური ფენების ზრდის ქცევა:

LBL აწყობის დროს PAA-სა და CE-ების აპკის წარმოქმნის ქცევა გამოკვლეული იქნა QCM-ისა და სპექტრული ინტერფერომეტრიის გამოყენებით. QCM ეფექტურია აპკის ადგილზე ზრდის მონიტორინგისთვის პირველი რამდენიმე აწყობის ციკლის განმავლობაში. სპექტრული ინტერფერომეტრები შესაფერისია 10 ციკლზე მეტი ხნის განმავლობაში გაზრდილი აპკებისთვის.

HEC/PAA ფირმამ LBL აწყობის მთელი პროცესის განმავლობაში ხაზოვანი ზრდა აჩვენა, ხოლო MC/PAA და HPC/PAA ფირებმა აწყობის ადრეულ ეტაპებზე ექსპონენციალური ზრდა აჩვენეს და შემდეგ ხაზოვან ზრდად გარდაიქმნნენ. ხაზოვანი ზრდის რეგიონში, რაც უფრო მაღალია კომპლექსაციის ხარისხი, მით უფრო დიდია სისქის ზრდა აწყობის ციკლის განმავლობაში.

ხსნარის pH-ის გავლენა აპკის ზრდაზე:

ხსნარის pH მნიშვნელობა გავლენას ახდენს წყალბადთან შეკავშირებული პოლიმერული კომპოზიტური ფენის ზრდაზე. როგორც სუსტი პოლიელექტროლიტი, PAA იონიზდება და უარყოფითად დამუხტება ხსნარის pH-ის ზრდასთან ერთად, რითაც ხელს უშლის წყალბადური ბმების ასოციაციას. როდესაც PAA-ს იონიზაციის ხარისხი გარკვეულ დონეს აღწევდა, PAA ვეღარ შეიკრიბებოდა ფენად LBL-ში წყალბადური ბმების აქცეპტორებით.

აპკის სისქე მცირდებოდა ხსნარის pH-ის ზრდასთან ერთად და აპკის სისქე მკვეთრად მცირდებოდა pH2.5 HPC/PAA-სა და pH3.0-3.5 HPC/PAA-ზე. HPC/PAA-ს კრიტიკული წერტილი დაახლოებით pH 3.5-ია, ხოლო HEC/PAA-ს - დაახლოებით 3.0. ეს ნიშნავს, რომ როდესაც ასაწყობი ხსნარის pH 3.5-ზე მაღალია, HPC/PAA აპკის წარმოქმნა შეუძლებელია, ხოლო როდესაც ხსნარის pH 3.0-ზე მაღალია, HEC/PAA აპკის წარმოქმნა შეუძლებელია. HPC/PAA მემბრანის წყალბადური ბმების კომპლექსაციის უფრო მაღალი ხარისხის გამო, HPC/PAA მემბრანის კრიტიკული pH მნიშვნელობა უფრო მაღალია, ვიდრე HEC/PAA მემბრანის. მარილის გარეშე ხსნარში, HEC/PAA, MC/PAA და HPC/PAA-ს მიერ წარმოქმნილი კომპლექსების კრიტიკული pH მნიშვნელობები შესაბამისად დაახლოებით 2.9, 3.2 და 3.7 იყო. HPC/PAA-ს კრიტიკული pH უფრო მაღალია, ვიდრე HEC/PAA-ს, რაც შეესაბამება LBL მემბრანის pH-ს.

CE/PAA მემბრანის წყლის შთანთქმის მახასიათებლები:

CES მდიდარია ჰიდროქსილის ჯგუფებით, რის გამოც მას კარგი წყლის შთანთქმა და შეკავება აქვს. HEC/PAA მემბრანის მაგალითის აღებით, შესწავლილი იქნა წყალბადთან შეკავშირებული CE/PAA მემბრანის გარემოში წყლისადმი ადსორბციული უნარი. სპექტრული ინტერფერომეტრიით დახასიათებული, აპკის სისქე იზრდება აპკის მიერ წყლის შთანთქმის დროს. წყლის შთანთქმის წონასწორობის მისაღწევად, აპკი მოათავსეს რეგულირებადი ტენიანობის მქონე გარემოში 25°C-ზე 24 საათის განმავლობაში. აპკები გაშრეს ვაკუუმურ ღუმელში (40°C) 24 საათის განმავლობაში ტენიანობის სრულად მოსაშორებლად.

ტენიანობის მატებასთან ერთად, ფენა სქელდება. 30%-50%-იანი დაბალი ტენიანობის არეალში სისქის ზრდა შედარებით ნელია. როდესაც ტენიანობა 50%-ს აღემატება, სისქე სწრაფად იზრდება. წყალბადთან შეკავშირებულ PVPON/PAA მემბრანასთან შედარებით, HEC/PAA მემბრანას შეუძლია გარემოდან მეტი წყლის შთანთქმა. 70%-იანი (25°C) ფარდობითი ტენიანობის პირობებში, PVPON/PAA ფენის გასქელების დიაპაზონი დაახლოებით 4%-ია, ხოლო HEC/PAA ფენის - დაახლოებით 18%. შედეგებმა აჩვენა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ HEC/PAA სისტემაში OH ჯგუფების გარკვეული რაოდენობა მონაწილეობდა წყალბადური ბმების წარმოქმნაში, მაინც მნიშვნელოვანი რაოდენობით OH ჯგუფები ურთიერთქმედებდნენ გარემოში არსებულ წყალთან. ამიტომ, HEC/PAA სისტემას აქვს კარგი წყლის შთანთქმის თვისებები.

დასკვნაში

(1) CE-სა და PAA-ს შორის წყალბადის ბმის ყველაზე მაღალი ხარისხის მქონე HPC/PAA სისტემას მათ შორის ყველაზე სწრაფი ზრდა აქვს, MC/PAA შუაშია, ხოლო HEC/PAA ყველაზე დაბალი.

(2) HEC/PAA ფირმამ მომზადების მთელი პროცესის განმავლობაში აჩვენა წრფივი ზრდის რეჟიმი, ხოლო დანარჩენმა ორმა ფირმამ MC/PAA და HPC/PAA-მ აჩვენა ექსპონენციალური ზრდა პირველი რამდენიმე ციკლის განმავლობაში, შემდეგ კი გარდაიქმნა წრფივ ზრდის რეჟიმში.

(3) CE/PAA აპკის ზრდა ძლიერ არის დამოკიდებული ხსნარის pH-ზე. როდესაც ხსნარის pH კრიტიკულ წერტილზე მაღალია, PAA და CE ვერ აწყობილი აპკის სახით ვერ გაერთიანდებიან. აწყობილი CE/PAA მემბრანა იხსნებოდა მაღალი pH-ის მქონე ხსნარებში.

(4) რადგან CE/PAA აპკი მდიდარია OH-ით და COOH-ით, თერმული დამუშავება მას ჯვარედინ შეკავშირებას ანიჭებს. ჯვარედინ შეკავშირებულ CE/PAA მემბრანას კარგი სტაბილურობა აქვს და უხსნადია მაღალი pH ხსნარებში.

(5) CE/PAA აპკს გარემოში წყლის კარგი ადსორბციული უნარი აქვს.