Зерттеудің негізі
Табиғи, мол және жаңартылатын ресурс ретінде целлюлоза балқымайтын және шектеулі ерігіштік қасиеттеріне байланысты практикалық қолдануда үлкен қиындықтарға тап болады. Целлюлоза құрылымындағы жоғары кристалдылық және жоғары тығыздықтағы сутектік байланыстар оны ыдыратады, бірақ иелену процесінде балқымайды және суда және көптеген органикалық еріткіштерде ерімейді. Олардың туындылары полимер тізбегіндегі ангидраглюкоза бірліктеріндегі гидроксил топтарының этерификациясы және этерификациясы арқылы түзіледі және табиғи целлюлозамен салыстырғанда кейбір басқа қасиеттерді көрсетеді. Целлюлозаның этерификация реакциясы тамақ, косметика, фармацевтика және медицинада кеңінен қолданылатын метилцеллюлоза (MC), гидроксиэтилцеллюлоза (HEC) және гидроксипропилцеллюлоза (HPC) сияқты көптеген суда еритін целлюлоза эфирлерін түзе алады. Суда еритін CE поликарбон қышқылдары мен полифенолдармен сутектік байланысқан полимерлерді түзе алады.
Қабат-қабат құрастыру (ҚҚЖ) полимерлі композитті жұқа қабықшаларды дайындаудың тиімді әдісі болып табылады. Төменде негізінен PAA бар HEC, MC және HPC үш түрлі CE-нің ҚҚЖ құрастыруы сипатталады, олардың құрастыру әрекеті салыстырылады және орынбасарлардың ҚҚЖ құрастыруына әсері талданады. Қабықша қалыңдығына рН әсерін және қабықшаның түзілуі мен еруіне рН-ның әртүрлі айырмашылықтарын зерттеңіз және CE/PAA су сіңіру қасиеттерін дамытыңыз.
Тәжірибелік материалдар:
Полиакрил қышқылы (PAA, Mw = 450 000). Гидроксиэтилцеллюлозаның (HEC) 2 салмақтық% сулы ерітіндісінің тұтқырлығы 300 мПа·с, ал орын басу дәрежесі 2,5. Метилцеллюлоза (MC, тұтқырлығы 400 мПа·с және орын басу дәрежесі 1,8 болатын 2 салмақтық% сулы ерітінді). Гидроксипропилцеллюлоза (HPC, тұтқырлығы 400 мПа·с және орын басу дәрежесі 2,5 болатын 2 салмақтық% сулы ерітінді).
Фильмді дайындау:
25°C температурада кремнийдегі сұйық кристалды қабатты құрастыру арқылы дайындалады. Слайд матрицасын өңдеу әдісі келесідей: қышқыл ерітіндіде (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 минут бойы жібітіңіз, содан кейін рН бейтарап болғанша бірнеше рет деиондалған сумен шайыңыз және соңында таза азотпен кептіріңіз. LBL құрастыру автоматты машинаны пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Негіз CE ерітіндісінде (0,2 мг/мл) және PAA ерітіндісінде (0,2 мг/мл) кезектесіп жібітілді, әрбір ерітінді 4 минут бойы жібітілді. Бос жабысқан полимерді кетіру үшін әрбір ерітіндіні жібіту арасында деиондалған суда 1 минуттан үш рет шаю жүргізілді. Құрастыру ерітіндісінің және шаю ерітіндісінің рН мәндері рН 2,0-ге дейін реттелді. Дайындалған қабықшалар (CE/PAA)n деп белгіленеді, мұндағы n құрастыру циклін білдіреді. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 және (HPC/PAA)30 негізінен дайындалды.
Фильмнің сипаттамасы:
Қалыпты шағылысу спектрлері NanoCalc-XR Ocean Optics көмегімен жазылып, талданды, ал кремнийге тұндырылған қабықшалардың қалыңдығы өлшенді. Фон ретінде бос кремний негізін алып, кремний негізіндегі жұқа қабықшаның FT-IR спектрі Nicolet 8700 инфрақызыл спектрометрінде жиналды.
PAA және CE арасындағы сутектік байланыстардың өзара әрекеттесуі:
HEC, MC және HPC-ны PAA көмегімен LBL қабықшаларына жинау. HEC/PAA, MC/PAA және HPC/PAA инфрақызыл спектрлері суретте көрсетілген. PAA және CES күшті ИҚ сигналдарын HEC/PAA, MC/PAA және HPC/PAA ИҚ спектрлерінде анық байқауға болады. FT-IR спектроскопиясы PAA және CES арасындағы сутектік байланыстың кешенін сипаттамалық жұтылу жолақтарының ығысуын бақылау арқылы талдай алады. CES және PAA арасындағы сутектік байланыс негізінен CES гидроксил оттегісі мен PAA-ның COOH тобы арасында жүреді. Сутектік байланыс пайда болғаннан кейін, созылу шыңының қызыл түсі төмен жиілік бағытына ауысады.
Таза PAA ұнтағы үшін 1710 см-1 шыңы байқалды. Полиакриламидті әртүрлі CE-лері бар пленкаларға құрастырған кезде, HEC/PAA, MC/PAA және MPC/PAA пленкаларының шыңдары сәйкесінше 1718 см-1, 1720 см-1 және 1724 см-1 аралығында орналасқан. Таза PAA ұнтағымен салыстырғанда, HPC/PAA, MC/PAA және HEC/PAA пленкаларының шыңдарының ұзындықтары сәйкесінше 14, 10 және 8 см−1-ге ығысқан. Эфир оттегісі мен COOH арасындағы сутектік байланыс COOH топтары арасындағы сутектік байланысты үзеді. PAA мен CE арасында сутектік байланыстар неғұрлым көп түзілсе, CE/PAA шыңының ығысуы ИҚ спектрлерінде соғұрлым жоғары болады. HPC сутектік байланыс кешенінің ең жоғары дәрежесіне ие, PAA және MC ортасында, ал HEC ең төменгісі.
PAA және CE композиттік қабықшаларының өсу мінез-құлқы:
LBL құрастыру кезінде PAA және CE-лердің қабықша түзу әрекеті QCM және спектрлік интерферометрияны қолдану арқылы зерттелді. QCM алғашқы бірнеше құрастыру циклі кезінде қабықшаның өсуін in situ бақылау үшін тиімді. Спектрлік интерферометрлер 10 циклден астам өсірілген қабықшаларға жарамды.
HEC/PAA пленкасы LBL құрастыру процесінде сызықтық өсуді көрсетті, ал MC/PAA және HPC/PAA пленкалары құрастырудың алғашқы кезеңдерінде экспоненциалды өсуді көрсетті, содан кейін сызықтық өсуге айналды. Сызықтық өсу аймағында кешен түзілу дәрежесі неғұрлым жоғары болса, құрастыру циклі бойынша қалыңдықтың өсуі соғұрлым жоғары болады.
Ерітіндінің рН-ының қабықшаның өсуіне әсері:
Ерітіндінің рН мәні сутектік байланысқан полимерлі композиттік пленканың өсуіне әсер етеді. Әлсіз полиэлектролит ретінде, ерітіндінің рН мәні артқан сайын ПАА иондалады және теріс зарядталады, осылайша сутектік байланыс байланысын тежейді. ПАА иондану дәрежесі белгілі бір деңгейге жеткенде, ПАА LBL-де сутектік байланыс акцепторлары бар пленкаға жинала алмады.
Қабықша қалыңдығы ерітіндінің рН жоғарылауымен төмендеді, ал қабықша қалыңдығы рН2,5 HPC/PAA және рН3,0-3,5 HPC/PAA кезінде кенеттен төмендеді. HPC/PAA критикалық нүктесі шамамен рН 3,5, ал HEC/PAA критикалық нүктесі шамамен 3,0 құрайды. Бұл құрастыру ерітіндісінің рН 3,5-тен жоғары болған кезде HPC/PAA қабықшасы түзілмейді, ал ерітіндінің рН 3,0-ден жоғары болған кезде HEC/PAA қабықшасы түзілмейді дегенді білдіреді. HPC/PAA мембранасының сутектік байланыс кешенінің жоғары дәрежесіне байланысты HPC/PAA мембранасының критикалық рН мәні HEC/PAA мембранасының критикалық рН мәнінен жоғары. Тұзсыз ерітіндіде HEC/PAA, MC/PAA және HPC/PAA түзген кешендердің критикалық рН мәндері сәйкесінше шамамен 2,9, 3,2 және 3,7 болды. HPC/PAA критикалық рН мәні HEC/PAA критикалық рН-нан жоғары, бұл LBL мембранасының критикалық рН-ына сәйкес келеді.
CE/PAA мембранасының су сіңіру өнімділігі:
CES гидроксил топтарына бай, сондықтан ол суды жақсы сіңіреді және суды жақсы ұстайды. Мысал ретінде HEC/PAA мембранасын алып, сутекпен байланысқан CE/PAA мембранасының қоршаған ортадағы суға адсорбциялау қабілеті зерттелді. Спектрлік интерферометриямен сипатталатын пленканың қалыңдығы пленка суды сіңірген сайын артады. Суды сіңіру тепе-теңдігіне жету үшін ол 25°C температурада реттелетін ылғалдылығы бар ортаға 24 сағат бойы орналастырылды. Ылғалды толығымен кетіру үшін пленкалар вакуумдық пеште (40°C) 24 сағат бойы кептірілді.
Ылғалдылық жоғарылаған сайын қабықша қалыңдайды. 30%-50% төмен ылғалдылық аймағында қалыңдықтың өсуі салыстырмалы түрде баяу. Ылғалдылық 50%-дан асқанда қалыңдық тез өседі. Сутектік байланысқан PVPON/PAA мембранасымен салыстырғанда, HEC/PAA мембранасы қоршаған ортадан көбірек су сіңіре алады. Салыстырмалы ылғалдылық 70% (25°C) жағдайында PVPON/PAA қабықшасының қалыңдау диапазоны шамамен 4% құрайды, ал HEC/PAA қабықшасының қалыңдау диапазоны шамамен 18% құрайды. Нәтижелер HEC/PAA жүйесіндегі белгілі бір мөлшерде OH топтары сутектік байланыстардың түзілуіне қатысқанымен, қоршаған ортада сумен әрекеттесетін OH топтарының саны айтарлықтай көп екенін көрсетті. Сондықтан HEC/PAA жүйесінің суды жақсы сіңіру қасиеттері бар.
қорытындысында
(1) CE және PAA сутектік байланыс дәрежесі ең жоғары HPC/PAA жүйесі олардың арасында ең жылдам өсуге ие, MC/PAA ортасында, ал HEC/PAA ең төмен.
(2) HEC/PAA пленкасы дайындау процесінде сызықтық өсу режимін көрсетті, ал қалған екі пленка MC/PAA және HPC/PAA алғашқы бірнеше циклде экспоненциалды өсуді көрсетті, содан кейін сызықтық өсу режиміне айналды.
(3) CE/PAA қабықшасының өсуі ерітіндінің рН-на қатты тәуелді. Ерітіндінің рН-ы оның критикалық нүктесінен жоғары болған кезде, PAA және CE қабықшаға жинала алмайды. Жиналған CE/PAA мембранасы жоғары рН ерітінділерінде ериді.
(4) CE/PAA қабықшасы OH және COOH-қа бай болғандықтан, термиялық өңдеу оны көлденең байланыстырады. Айқас байланысқан CE/PAA мембранасы жақсы тұрақтылыққа ие және жоғары рН ерітінділерінде ерімейді.
(5) CE/PAA пленкасы қоршаған ортадағы суды жақсы сіңіру қабілетіне ие.
Жарияланған уақыты: 2023 жылғы 18 ақпан