Истражувачка позадина
Како природен, изобилен и обновлив ресурс, целулозата се соочува со големи предизвици во практичните апликации поради нејзините својства на нетопење и ограничена растворливост. Високата кристаличност и водородните врски со висока густина во структурата на целулозата ја прават да се разградува, но да не се топи за време на процесот на стекнување, и е нерастворлива во вода и повеќето органски растворувачи. Нивните деривати се произведуваат со естерификација и етерификација на хидроксилните групи на анхидроглукозните единици во полимерниот ланец и ќе покажат некои различни својства во споредба со природната целулоза. Реакцијата на етерификација на целулозата може да генерира многу етери на целулоза растворливи во вода, како што се метил целулоза (MC), хидроксиетил целулоза (HEC) и хидроксипропил целулоза (HPC), кои се широко користени во храната, козметиката, фармацевтската индустрија и медицината. CE растворливиот во вода може да формира полимери поврзани со водород со поликарбоксилни киселини и полифеноли.
Склопувањето слој по слој (LBL) е ефикасен метод за подготовка на тенки филмови од полимерни композити. Следново главно го опишува склопувањето на LBL на три различни CE на HEC, MC и HPC со PAA, го споредува нивното однесување при склопување и го анализира влијанието на супституентите врз склопувањето на LBL. Истражете го ефектот на pH врз дебелината на филмот и различните разлики на pH врз формирањето и растворањето на филмот и развијте ги својствата за апсорпција на вода на CE/PAA.
Експериментални материјали:
Полиакрилна киселина (PAA, Mw = 450.000). Вискозитетот на 2 теж.% воден раствор на хидроксиетилцелулоза (HEC) е 300 mPa·s, а степенот на супституција е 2,5. Метилцелулоза (MC, 2 теж.% воден раствор со вискозитет од 400 mPa·s и степен на супституција од 1,8). Хидроксипропил целулоза (HPC, 2 теж.% воден раствор со вискозитет од 400 mPa·s и степен на супституција од 2,5).
Подготовка на филмот:
Подготвено со склопување на слој од течни кристали на силициум на 25°C. Методот на третман на матрицата на слајдот е како што следува: потопување во кисел раствор (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 минути, потоа исплакнување со дејонизирана вода неколку пати додека pH вредноста не стане неутрална и конечно сушење со чист азот. Склопувањето на LBL се изведува со употреба на автоматска машина. Подлогата наизменично се потопува во раствор од CE (0,2 mg/mL) и раствор од PAA (0,2 mg/mL), секој раствор се потопува 4 минути. Три плакнења потопувања од 1 минута во дејонизирана вода беа извршени помеѓу секое потопување во растворот за да се отстрани лабаво прицврстениот полимер. pH вредностите на растворот за склопување и растворот за плакнење беа прилагодени на pH 2,0. Како што е подготвено, филмовите се означени како (CE/PAA)n, каде што n го означува циклусот на склопување. Главно беа подготвени (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 и (HPC/PAA)30.
Филмска карактеризација:
Спектри на рефлектанца близу до нормалните беа снимени и анализирани со NanoCalc-XR Ocean Optics, а беше измерена и дебелината на филмовите депонирани на силициум. Со празен силициумски супстрат како позадина, FT-IR спектарот на тенкиот филм на силициумскиот супстрат беше собран на инфрацрвен спектрометар Nicolet 8700.
Интеракции на водородни врски помеѓу PAA и CE:
Склопување на HEC, MC и HPC со PAA во LBL филмови. Инфрацрвените спектри на HEC/PAA, MC/PAA и HPC/PAA се прикажани на сликата. Силните IR сигнали на PAA и CES може јасно да се забележат во IR спектрите на HEC/PAA, MC/PAA и HPC/PAA. FT-IR спектроскопијата може да ја анализира комплексацијата на водородните врски помеѓу PAA и CES со следење на поместувањето на карактеристичните апсорпциони ленти. Водородното поврзување помеѓу CES и PAA главно се јавува помеѓу хидроксилниот кислород на CES и COOH групата на PAA. Откако ќе се формира водородната врска, црвениот врв на истегнување се поместува во насока на ниска фреквенција.
За чист PAA прав е забележан врв од 1710 cm-1. Кога полиакриламидот е составен во филмови со различни CE, врвовите на HEC/PAA, MC/PAA и MPC/PAA филмовите се наоѓаат на 1718 cm-1, 1720 cm-1 и 1724 cm-1, соодветно. Во споредба со чистиот PAA прав, должините на врвовите на HPC/PAA, MC/PAA и HEC/PAA филмовите се поместиле за 14, 10 и 8 cm-1, соодветно. Водородната врска помеѓу етерскиот кислород и COOH ја прекинува водородната врска помеѓу COOH групите. Колку повеќе водородни врски се формираат помеѓу PAA и CE, толку е поголемо поместувањето на врвовите на CE/PAA во IR спектрите. HPC има највисок степен на комплексација на водородни врски, PAA и MC се во средината, а HEC е најнизок.
Однесување на растот на композитните филмови од PAA и CE:
Однесувањето на PAA и CE при формирање филм за време на склопувањето на LBL беше испитано со употреба на QCM и спектрална интерферометрија. QCM е ефикасен за следење на растот на филмот in situ за време на првите неколку циклуси на склопување. Спектралните интерферометри се погодни за филмови одгледувани во текот на 10 циклуси.
HEC/PAA филмот покажа линеарен раст во текот на целиот процес на склопување на LBL, додека MC/PAA и HPC/PAA филмовите покажаа експоненцијален раст во раните фази на склопување, а потоа се трансформираа во линеарен раст. Во регионот на линеарен раст, колку е поголем степенот на комплексација, толку е поголем растот на дебелината по циклус на склопување.
Влијание на pH вредноста на растворот врз растот на филмот:
pH вредноста на растворот влијае на растот на филмот од водородно врзан полимерски композит. Како слаб полиелектролит, PAA ќе биде јонизиран и негативно наелектризиран како што pH вредноста на растворот се зголемува, со што се инхибира поврзувањето на водородните врски. Кога степенот на јонизација на PAA ќе достигне одредено ниво, PAA не може да се состави во филм со акцептори на водородни врски во LBL.
Дебелината на филмот се намалуваше со зголемување на pH вредноста на растворот, а дебелината на филмот одеднаш се намалуваше при pH 2,5 HPC/PAA и pH 3,0-3,5 HPC/PAA. Критичната точка на HPC/PAA е околу pH 3,5, додека онаа на HEC/PAA е околу 3,0. Ова значи дека кога pH вредноста на растворот за склопување е поголема од 3,5, HPC/PAA филмот не може да се формира, а кога pH вредноста на растворот е поголема од 3,0, HEC/PAA филмот не може да се формира. Поради повисокиот степен на комплексирање на водородни врски на HPC/PAA мембраната, критичната pH вредност на HPC/PAA мембраната е повисока од онаа на HEC/PAA мембраната. Во раствор без сол, критичните pH вредности на комплексите формирани од HEC/PAA, MC/PAA и HPC/PAA беа околу 2,9, 3,2 и 3,7, соодветно. Критичната pH вредност на HPC/PAA е повисока од онаа на HEC/PAA, што е во согласност со онаа на LBL мембраната.
Перформанси на апсорпција на вода на CE/PAA мембраната:
CES е богат со хидроксилни групи, така што има добра апсорпција и задржување на вода. Земајќи ја HEC/PAA мембраната како пример, проучен е капацитетот на адсорпција на водородно врзана CE/PAA мембрана кон водата во околината. Карактеризирано со спектрална интерферометрија, дебелината на филмот се зголемува како што филмот апсорбира вода. Беше поставен во средина со прилагодлива влажност на 25°C во тек на 24 часа за да се постигне рамнотежа на апсорпција на вода. Филмовите беа сушени во вакуумска печка (40°C) 24 часа за целосно отстранување на влагата.
Со зголемувањето на влажноста, филмот се згуснува. Во зоната со ниска влажност од 30%-50%, растот на дебелината е релативно бавен. Кога влажноста надминува 50%, дебелината расте брзо. Во споредба со водородно врзаната PVPON/PAA мембрана, HEC/PAA мембраната може да апсорбира повеќе вода од околината. Под услов на релативна влажност од 70% (25°C), опсегот на згуснување на PVPON/PAA филмот е околу 4%, додека оној на HEC/PAA филмот е дури околу 18%. Резултатите покажаа дека иако одреден број OH групи во HEC/PAA системот учествувале во формирањето на водородни врски, сепак имало значителен број OH групи кои реагирале со водата во околината. Затоа, HEC/PAA системот има добри својства за апсорпција на вода.
како заклучок
(1) Системот HPC/PAA со највисок степен на водородно поврзување на CE и PAA има најбрз раст меѓу нив, MC/PAA е во средината, а HEC/PAA е најнизок.
(2) HEC/PAA филмот покажа линеарен режим на раст во текот на целиот процес на подготовка, додека другите два филма MC/PAA и HPC/PAA покажаа експоненцијален раст во првите неколку циклуси, а потоа се трансформираа во линеарен режим на раст.
(3) Растот на CE/PAA филмот има силна зависност од pH вредноста на растворот. Кога pH вредноста на растворот е повисока од нејзината критична точка, PAA и CE не можат да се спојат во филм. Собраната CE/PAA мембрана беше растворлива во раствори со висока pH вредност.
(4) Бидејќи CE/PAA филмот е богат со OH и COOH, термичката обработка го прави вкрстено поврзан. Вкрстено поврзаната CE/PAA мембрана има добра стабилност и е нерастворлива во раствори со висока pH вредност.
(5) CE/PAA филмот има добар капацитет за адсорпција на вода во животната средина.
Време на објавување: 18 февруари 2023 година