Fuerschungshannergrond
Als natierlech, reichlech an erneierbar Ressource stéisst Cellulose a prakteschen Uwendungen op grouss Erausfuerderungen, well se net schmëlzt a limitéiert léislech ass. Déi héich Kristallinitéit an déi héichdichteg Waasserstoffbindungen an der Cellulosestruktur maachen et méiglech, datt se während dem Formuléierungsprozess ofbaut, awer net schmëlzt, an net léislech a Waasser an de meeschte organesche Léisungsmëttel ass. Hir Derivater ginn duerch d'Veresterung an d'Veretherung vun den Hydroxylgruppen op den Anhydroglukose-Eenheeten an der Polymerkette produzéiert a weisen e puer aner Eegeschafte wéi déi natierlech Cellulose op. D'Veretherungsreaktioun vu Cellulose kann vill waasserléislech Celluloseether generéieren, wéi Methylcellulose (MC), Hydroxyethylcellulose (HEC) an Hydroxypropylcellulose (HPC), déi wäit verbreet a Liewensmëttel, Kosmetik, Pharmazeutika a Medizin benotzt ginn. Waasserléislech CE kann waasserstoffgebonnen Polymere mat Polycarboxylsäuren a Polyphenole bilden.
Schicht-fir-Schicht-Montage (LBL) ass eng effektiv Method fir d'Virbereedung vu Polymer-Komposit-Dënnschichten. Am Folgenden gëtt haaptsächlech d'LBL-Montage vun dräi verschiddenen CE vun HEC, MC an HPC mat PAA beschreift, hiert Montageverhalen vergläicht an den Afloss vu Substituenten op d'LBL-Montage analyséiert. Ënnersicht den Effekt vum pH-Wäert op d'Schichtdicke, an déi verschidden Ënnerscheeder vum pH-Wäert op d'Schichtbildung an d'Opléisung, an entwéckelt d'Waasserabsorptiounseigenschaften vun CE/PAA.
Experimentell Materialien:
Polyacrylsäure (PAA, Mw = 450.000). D'Viskositéit vun enger 2 Gew.-% wässerlecher Léisung vun Hydroxyethylcellulose (HEC) ass 300 mPa·s, an de Substitutiounsgrad ass 2,5. Methylcellulose (MC, eng 2 Gew.-% wässerlech Léisung mat enger Viskositéit vu 400 mPa·s an engem Substitutiounsgrad vun 1,8). Hydroxypropylcellulose (HPC, eng 2 Gew.-% wässerlech Léisung mat enger Viskositéit vu 400 mPa·s an engem Substitutiounsgrad vun 2,5).
Filmvirbereedung:
Virbereet duerch Flëssegkristallschicht-Montage op Silizium bei 25°C. D'Behandlungsmethod vun der Objektträgermatrix ass wéi follegt: 30 Minutte laang an enger sauer Léisung (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) awäichen, dann e puer Mol mat deioniséiertem Waasser spullen, bis de pH-Wäert neutral ass, an zum Schluss mat purem Stéckstoff dréchnen. D'LBL-Montage gëtt mat automatesche Maschinnen duerchgefouert. De Substrat gouf ofwiesselnd an CE-Léisung (0,2 mg/mL) an PAA-Léisung (0,2 mg/mL) awäichen, all Léisung gouf 4 Minutte laang awäichen. Dräi Spullübungen vun jee 1 Minutt an deioniséiertem Waasser goufen tëscht all Léisungsübung duerchgefouert, fir locker ugehaange Polymer ze entfernen. D'pH-Wäerter vun der Montageléisung an der Spullléisung goufen allebéid op pH 2,0 ugepasst. Déi sou preparéiert Filmer ginn als (CE/PAA)n bezeechent, wou n den Montagezyklus steet. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 an (HPC/PAA)30 goufen haaptsächlech virbereet.
Filmcharakteriséierung:
Bal normal Reflexiounsspektre goufen opgeholl an mat NanoCalc-XR Ocean Optics analyséiert, an d'Déckt vun de Filmer, déi op Silizium ofgesat goufen, gouf gemooss. Mat engem blanke Siliziumsubstrat als Hannergrond gouf den FT-IR-Spektrum vum dënne Film op dem Siliziumsubstrat op engem Nicolet 8700 Infraroutspektrometer gesammelt.
Waasserstoffbindungsinteraktiounen tëscht PAA an CE:
Assembléierung vun HEC, MC an HPC mat PAA zu LBL-Filmer. D'Infraroutspektre vun HEC/PAA, MC/PAA an HPC/PAA sinn an der Figur gewisen. Déi staark IR-Signaler vu PAA a CES kënnen däitlech an den IR-Spektre vun HEC/PAA, MC/PAA an HPC/PAA observéiert ginn. D'FT-IR-Spektroskopie kann d'Komplexéierung vun de Waasserstoffbänn tëscht PAA a CES analyséieren andeems d'Verrécklung vun de charakteristeschen Absorptiounsbänner iwwerwaacht gëtt. D'Wasserstoffbindung tëscht CES a PAA geschitt haaptsächlech tëscht dem Hydroxylsauerstoff vum CES an der COOH-Grupp vum PAA. Nodeems d'Wasserstoffbindung geformt ass, verréckelt sech de Streckpeak-Rout an déi niddreg Frequenzrichtung.
E Peak vun 1710 cm⁻¹ gouf fir rengt PAA-Pulver observéiert. Wéi Polyacrylamid a Filmer mat verschiddene CEs zesummegesat gouf, louchen d'Peaken vun den HEC/PAA-, MC/PAA- a MPC/PAA-Filmer bei 1718 cm⁻¹, 1720 cm⁻¹ respektiv 1724 cm⁻¹. Am Verglach mat purem PAA-Pulver hunn sech d'Peaklängten vun den HPC/PAA-, MC/PAA- an HEC/PAA-Filmer ëm 14, 10 respektiv 8 cm⁻¹ verréckelt. D'Wasserstoffbréck tëscht dem Ether-Sauerstoff an dem COOH ënnerbrécht d'Wasserstoffbréck tëscht de COOH-Gruppen. Wat méi Waasserstoffbrécke sech tëscht PAA an CE bilden, wat méi grouss ass d'Peakverschiebung vum CE/PAA an den IR-Spektren. HPC huet den héchste Grad u Waasserstoffbréckskomplexéierung, PAA an MC leien an der Mëtt, an HEC ass am niddregsten.
Wuestumsverhalen vu Kompositfilmer aus PAA an CE:
D'Filmbildungsverhale vu PAA an CE während der LBL-Montage gouf mat Hëllef vu QCM a spektraler Interferometrie ënnersicht. QCM ass effektiv fir d'Iwwerwaachung vum Filmwuesstum in situ während den éischte puer Montagezyklen. Spektralinterferometer si gëeegent fir Filmer, déi iwwer 10 Zyklen gewuess sinn.
Den HEC/PAA-Film huet e lineare Wuesstem während dem ganze LBL-Montageprozess gewisen, während d'MC/PAA- an HPC/PAA-Filmer e exponentiellt Wuesstem an de fréie Stadien vun der Montage gewisen hunn an duerno an e lineare Wuesstem transforméiert goufen. Am lineare Wuesstemsberäich, wat méi héich de Grad vun der Komplexéierung ass, wat méi grouss de Décktwuesstem pro Montagezyklus ass.
Effekt vum Léisungs-pH-Wäert op de Filmwuesstem:
De pH-Wäert vun der Léisung beaflosst d'Wuesstum vum wasserstoffgebonnene Polymerkompositfilm. Als schwaache Polyelektrolyt gëtt PAA ioniséiert a negativ gelueden, wann de pH-Wäert vun der Léisung eropgeet, wouduerch d'Associatioun vun de Waasserstoffbindungen hemmt. Wann den Ioniséierungsgrad vu PAA e gewëssen Niveau erreecht huet, konnt PAA sech net zu engem Film mat Waasserstoffbindungsakzeptoren am LBL zesummesetzen.
D'Filmedicke ass mat der Erhéijung vum pH-Wäert vun der Léisung erofgaangen, an d'Filmedicke ass op eemol bei pH 2,5 HPC/PAA a pH 3,0-3,5 HPC/PAA erofgaangen. De kritesche Punkt vun HPC/PAA ass ongeféier pH 3,5, während dee vun HEC/PAA ongeféier 3,0 ass. Dëst bedeit, datt wann de pH-Wäert vun der Assemblageléisung méi héich wéi 3,5 ass, de HPC/PAA-Film net ka geformt ginn, a wann de pH-Wäert vun der Léisung méi héich wéi 3,0 ass, de HEC/PAA-Film net ka geformt ginn. Wéinst dem méi héije Grad vun der Waasserstoffbindungskomplexéierung vun der HPC/PAA-Membran ass de kritesche pH-Wäert vun der HPC/PAA-Membran méi héich wéi dee vun der HEC/PAA-Membran. An enger salzfräier Léisung waren déi kritesch pH-Wäerter vun de Komplexer, déi duerch HEC/PAA, MC/PAA an HPC/PAA geformt goufen, ongeféier 2,9, 3,2 respektiv 3,7. De kritesche pH-Wäert vun HPC/PAA ass méi héich wéi dee vun HEC/PAA, wat mat deem vun der LBL-Membran iwwereneestëmmt.
Waasserabsorptiounsleistung vun der CE/PAA Membran:
CES ass räich un Hydroxylgruppen, sou datt et eng gutt Waasserabsorptioun a Waasserretentioun huet. Ënnert dem Beispill vun der HEC/PAA-Membran gouf d'Adsorptiounskapazitéit vun enger wasserstoffgebonnener CE/PAA-Membran op Waasser an der Ëmwelt ënnersicht. Charakteriséiert duerch spektral Interferometrie, hëlt d'Filmedicke zou wann de Film Waasser absorbéiert. E gouf 24 Stonnen an eng Ëmwelt mat justierbarer Fiichtegkeet bei 25°C placéiert, fir e Waasserabsorptiounsgläichgewiicht z'erreechen. D'Filmer goufen 24 Stonnen an engem Vakuumuewen (40°C) gedréchent, fir d'Fiichtegkeet komplett ze entfernen.
Mat der Zounimm vun der Loftfiichtegkeet gëtt de Film méi déck. Am Beräich mat gerénger Loftfiichtegkeet vun 30%-50% ass d'Décktwachstum relativ lues. Wann d'Loftfiichtegkeet iwwer 50% kënnt, wiisst d'Déckt séier. Am Verglach mat der waasserstoffgebonnener PVPON/PAA-Membran kann d'HEC/PAA-Membran méi Waasser aus der Ëmwelt absorbéieren. Ënner enger relativer Loftfiichtegkeet vun 70% (25°C) ass de Verdickungsberäich vum PVPON/PAA-Film ongeféier 4%, während dee vum HEC/PAA-Film bis zu ongeféier 18% héich ass. D'Resultater hunn gewisen, datt, obwuel eng gewëssen Unzuel vun OH-Gruppen am HEC/PAA-System un der Bildung vu Waasserstoffbindungen deelgeholl huet, et ëmmer nach eng beträchtlech Unzuel vun OH-Gruppen gouf, déi mat Waasser an der Ëmwelt interagéieren. Dofir huet den HEC/PAA-System gutt Waasserabsorptiounseigenschaften.
als Schlussfolgerung
(1) Den HPC/PAA-System mam héchste Grad vun der Waasserstoffbindung vu CE an PAA huet dat schnellst Wuesstem vun hinnen, MC/PAA läit an der Mëtt, an HEC/PAA ass am niddregsten.
(2) Den HEC/PAA-Film huet e lineare Wuesstumsmodus während dem ganze Virbereedungsprozess gewisen, während déi aner zwee Filmer MC/PAA an HPC/PAA an den éischte puer Zyklen en exponentiellt Wuesstum gewisen hunn, an duerno an e lineare Wuesstumsmodus transforméiert sinn.
(3) D'Wuesstum vum CE/PAA-Film hänkt staark vum pH-Wäert vun der Léisung of. Wann de pH-Wäert vun der Léisung méi héich ass wéi säi kritesche Punkt, kënnen PAA a CE sech net zu engem Film zesummesetzen. Déi zesummegesate CE/PAA-Membran war a Léisunge mat héijem pH-Wäert léislech.
(4) Well de CE/PAA-Film räich un OH- a COOH-Wäermt ass, gëtt en duerch eng Hëtztbehandlung vernetzt. Déi vernetzt CE/PAA-Membran huet eng gutt Stabilitéit an ass a Léisunge mat héijem pH-Wäert net léislech.
(5) De CE/PAA-Film huet eng gutt Adsorptiounskapazitéit fir Waasser an der Ëmwelt.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 18. Februar 2023