Pētījuma pamatojums
Kā dabisks, bagātīgs un atjaunojams resurss, celuloze saskaras ar lieliem izaicinājumiem praktiskos pielietojumos, jo tā nekūst un ir ierobežoti šķīstoša. Augstā kristāliskuma pakāpe un augsta blīvuma ūdeņraža saites celulozes struktūrā liek tai noārdīties, bet nekūst glabāšanas procesā, un tā nešķīst ūdenī un vairumā organisko šķīdinātāju. To atvasinājumi rodas, esterificējot un ēterificējot hidroksilgrupas uz anhidroglikozes vienībām polimēru ķēdē, un tiem būs dažas atšķirīgas īpašības salīdzinājumā ar dabisko celulozi. Celulozes ēterifikācijas reakcija var radīt daudzus ūdenī šķīstošus celulozes ēterus, piemēram, metilcelulozi (MC), hidroksietilcelulozi (HEC) un hidroksipropilcelulozi (HPC), ko plaši izmanto pārtikā, kosmētikā, farmācijā un medicīnā. Ūdenī šķīstošā CE var veidot ūdeņraža saites polimērus ar polikarbonskābēm un polifenoliem.
Slānis pa slānim montāža (LBL) ir efektīva metode polimēru kompozītmateriālu plāno plēvju izgatavošanai. Turpmāk galvenokārt aprakstīta trīs dažādu CE - HEC, MC un HPC - LBL montāža ar PAA, salīdzināta to montāžas uzvedība un analizēta aizvietotāju ietekme uz LBL montāžu. Izpētīt pH ietekmi uz plēves biezumu un dažādas pH atšķirības uz plēves veidošanos un šķīšanu, kā arī izstrādāt CE/PAA ūdens absorbcijas īpašības.
Eksperimentālie materiāli:
Poliakrilskābe (PAA, Mw = 450 000). 2 svara % ūdens šķīduma hidroksietilcelulozei (HEC) viskozitāte ir 300 mPa·s, un aizvietošanas pakāpe ir 2,5. Metilceluloze (MC, 2 svara % ūdens šķīdums ar viskozitāti 400 mPa·s un aizvietošanas pakāpi 1,8). Hidroksipropilceluloze (HPC, 2 svara % ūdens šķīdums ar viskozitāti 400 mPa·s un aizvietošanas pakāpi 2,5).
Filmas sagatavošana:
Sagatavots, montējot šķidro kristālu slāni uz silīcija 25°C temperatūrā. Slaidu matricas apstrādes metode ir šāda: mērcēt skābā šķīdumā (H2SO4/H2O2, 7/3 tilp./tilp.) 30 minūtes, pēc tam vairākas reizes skalot ar dejonizētu ūdeni, līdz pH kļūst neitrāls, un visbeidzot žāvēt ar tīru slāpekli. LBL montāža tiek veikta, izmantojot automātisko iekārtu. Substrāts tika pārmaiņus mērcēts CE šķīdumā (0,2 mg/ml) un PAA šķīdumā (0,2 mg/ml), katru šķīdumu mērcējot 4 minūtes. Starp katru mērcēšanu šķīdumā tika veiktas trīs skalošanas mērcēšanas pa 1 minūti dejonizētā ūdenī, lai noņemtu vaļīgi pielipušo polimēru. Gan montāžas šķīduma, gan skalošanas šķīduma pH vērtības tika noregulētas uz pH 2,0. Sagatavotās plēves apzīmētas ar (CE/PAA)n, kur n apzīmē montāžas ciklu. Galvenokārt tika sagatavotas (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 un (HPC/PAA)30.
Filmas raksturojums:
Gandrīz normālas atstarošanas spektri tika reģistrēti un analizēti ar NanoCalc-XR Ocean Optics, un tika mērīts uz silīcija uzklāto plēvju biezums. Ar tukšu silīcija substrātu kā fonu plānās plēves FT-IR spektrs uz silīcija substrāta tika savākts ar Nicolet 8700 infrasarkano staru spektrometru.
Ūdeņraža saišu mijiedarbība starp PAA un CE:
HEC, MC un HPC montāža ar PAA LBL plēvēs. HEC/PAA, MC/PAA un HPC/PAA infrasarkanie spektri ir parādīti attēlā. Spēcīgos PAA un CES IR signālus var skaidri novērot HEC/PAA, MC/PAA un HPC/PAA IR spektroskopijā. FT-IR spektroskopija var analizēt ūdeņraža saišu kompleksus starp PAA un CES, uzraugot raksturīgo absorbcijas joslu nobīdi. Ūdeņraža saite starp CES un PAA galvenokārt notiek starp CES hidroksilskābekli un PAA COOH grupu. Pēc ūdeņraža saites izveidošanās stiepšanās pīķa sarkanais signāls nobīdās zemfrekvences virzienā.
Tīram PAA pulverim tika novērots maksimums 1710 cm⁻¹. Kad poliakrilamīds tika salikts plēvēs ar dažādiem CE, HEC/PAA, MC/PAA un MPC/PAA plēvju maksimumi atradās attiecīgi pie 1718 cm⁻¹, 1720 cm⁻¹ un 1724 cm⁻¹. Salīdzinot ar tīru PAA pulveri, HPC/PAA, MC/PAA un HEC/PAA plēvju maksimuma garumi nobīdījās attiecīgi par 14, 10 un 8 cm⁻¹. Ūdeņraža saite starp ētera skābekli un COOH pārtrauc ūdeņraža saiti starp COOH grupām. Jo vairāk ūdeņraža saišu veidojas starp PAA un CE, jo lielāka ir CE/PAA maksimuma nobīde IR spektrā. HPC ir visaugstākā ūdeņraža saišu kompleksācijas pakāpe, PAA un MC atrodas pa vidu, bet HEC ir viszemākā.
PAA un CE kompozītplēvju augšanas uzvedība:
PAA un CE plēves veidošanās uzvedība LBL montāžas laikā tika pētīta, izmantojot kvantu hromatogrāfiju (QCM) un spektrālo interferometriju. Kvantu hromatogrāfiju (QCM) var efektīvi izmantot plēves augšanas uzraudzībai in situ pirmajos montāžas ciklos. Spektrālie interferometri ir piemēroti plēvēm, kas audzētas 10 ciklu laikā.
HEC/PAA plēve LBL montāžas procesā uzrādīja lineāru augšanu, savukārt MC/PAA un HPC/PAA plēves montāžas sākumposmā uzrādīja eksponenciālu augšanu un pēc tam pārveidojās par lineāru augšanu. Lineārās augšanas reģionā, jo augstāka ir kompleksu pakāpe, jo lielāka ir biezuma palielināšanās katrā montāžas ciklā.
Šķīduma pH ietekme uz plēves augšanu:
Šķīduma pH vērtība ietekmē ūdeņraža saites polimēra kompozītplēves augšanu. Kā vājš polielektrolīts, PAA jonizējas un negatīvi lādējas, palielinoties šķīduma pH, tādējādi kavējot ūdeņraža saišu veidošanos. Kad PAA jonizācijas pakāpe sasniedz noteiktu līmeni, PAA nevar veidoties plēvē ar ūdeņraža saišu akceptoriem LBL.
Plēves biezums samazinājās, palielinoties šķīduma pH, un plēves biezums pēkšņi samazinājās pie pH 2,5 HPC/PAA un pH 3,0-3,5 HPC/PAA. HPC/PAA kritiskais punkts ir aptuveni pH 3,5, savukārt HEC/PAA kritiskais punkts ir aptuveni pH 3,0. Tas nozīmē, ka, ja montāžas šķīduma pH ir augstāks par 3,5, HPC/PAA plēve nevar veidoties, un, ja šķīduma pH ir augstāks par 3,0, HEC/PAA plēve nevar veidoties. Sakarā ar augstāku ūdeņraža saišu kompleksācijas pakāpi HPC/PAA membrānā, HPC/PAA membrānas kritiskā pH vērtība ir augstāka nekā HEC/PAA membrānai. Bezsāls šķīdumā HEC/PAA, MC/PAA un HPC/PAA veidoto kompleksu kritiskās pH vērtības bija attiecīgi aptuveni 2,9, 3,2 un 3,7. HPC/PAA kritiskais pH ir augstāks nekā HEC/PAA, kas atbilst LBL membrānas pH.
CE/PAA membrānas ūdens absorbcijas veiktspēja:
CES ir bagāts ar hidroksilgrupām, tāpēc tam ir laba ūdens absorbcija un ūdens saglabāšana. Izmantojot HEC/PAA membrānu kā piemēru, tika pētīta ar ūdeņradi saistītas CE/PAA membrānas adsorbcijas spēja uz ūdeni vidē. Ar spektrālās interferometrijas palīdzību tika raksturots, ka plēves biezums palielinās, plēvei absorbējot ūdeni. Tā tika ievietota vidē ar regulējamu mitrumu 25°C temperatūrā uz 24 stundām, lai sasniegtu ūdens absorbcijas līdzsvaru. Plēves tika žāvētas vakuuma krāsnī (40°C) 24 stundas, lai pilnībā noņemtu mitrumu.
Palielinoties mitrumam, plēve sabiezē. Zemā mitruma diapazonā (30–50%) biezuma pieaugums ir relatīvi lēns. Kad mitrums pārsniedz 50%, biezums pieaug strauji. Salīdzinot ar ūdeņraža saišu PVPON/PAA membrānu, HEC/PAA membrāna var absorbēt vairāk ūdens no apkārtējās vides. Pie relatīvā mitruma 70% (25°C) PVPON/PAA plēves sabiezēšanas diapazons ir aptuveni 4%, savukārt HEC/PAA plēves sabiezēšanas diapazons ir aptuveni 18%. Rezultāti parādīja, ka, lai gan noteikts daudzums OH grupu HEC/PAA sistēmā piedalījās ūdeņraža saišu veidošanā, joprojām bija ievērojams skaits OH grupu, kas mijiedarbojās ar ūdeni vidē. Tāpēc HEC/PAA sistēmai ir labas ūdens absorbcijas īpašības.
noslēgumā
(1) HPC/PAA sistēmai ar augstāko CE un PAA ūdeņraža saišu pakāpi ir visstraujākā izaugsme, MC/PAA ir pa vidu, bet HEC/PAA ir viszemākā.
(2) HEC/PAA plēvei visā sagatavošanas procesā bija vērojams lineārs augšanas režīms, savukārt pārējās divas plēves — MC/PAA un HPC/PAA — pirmajos dažos ciklos uzrādīja eksponenciālu augšanu un pēc tam pārveidojās par lineāru augšanas režīmu.
(3) CE/PAA plēves augšana ir ļoti atkarīga no šķīduma pH. Kad šķīduma pH ir augstāks par tā kritisko punktu, PAA un CE nevar salikties plēvē. Saliktā CE/PAA membrāna šķīst augsta pH šķīdumos.
(4) Tā kā CE/PAA plēve ir bagāta ar OH un COOH, termiskā apstrāde to sašūtu. Šķērssaistītajai CE/PAA membrānai ir laba stabilitāte un tā nešķīst augsta pH šķīdumos.
(5) CE/PAA plēvei ir laba ūdens adsorbcijas spēja vidē.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 18. februāris