Latar Belakang Penyelidikan
Sebagai sumber semula jadi, banyak dan boleh diperbaharui, selulosa menghadapi cabaran besar dalam aplikasi praktikal disebabkan oleh sifat keterlarutannya yang tidak lebur dan terhad. Kehabluran yang tinggi dan ikatan hidrogen berketumpatan tinggi dalam struktur selulosa menjadikannya terdegradasi tetapi tidak lebur semasa proses pemilikan, dan tidak larut dalam air dan kebanyakan pelarut organik. Derivatifnya dihasilkan melalui pengesteran dan pengeteran kumpulan hidroksil pada unit anhidroglukosa dalam rantai polimer, dan akan mempamerkan beberapa sifat yang berbeza berbanding dengan selulosa semula jadi. Tindak balas pengeteran selulosa boleh menghasilkan banyak eter selulosa larut air, seperti metil selulosa (MC), hidroksietil selulosa (HEC) dan hidroksipropil selulosa (HPC), yang digunakan secara meluas dalam makanan, kosmetik, farmaseutikal dan perubatan. CE larut air boleh membentuk polimer terikat hidrogen dengan asid polikarboksilik dan polifenol.
Perhimpunan lapisan demi lapisan (LBL) merupakan kaedah yang berkesan untuk menyediakan filem nipis komposit polimer. Berikut adalah penerangan utama tentang pemasangan LBL bagi tiga CE berbeza bagi HEC, MC dan HPC dengan PAA, membandingkan kelakuan pemasangannya, dan menganalisis pengaruh substituen pada pemasangan LBL. Kaji kesan pH pada ketebalan filem, dan perbezaan pH yang berbeza pada pembentukan dan pembubaran filem, dan kembangkan sifat penyerapan air CE/PAA.
Bahan Eksperimen:
Asid poliakrilik (PAA, Mw = 450,000). Kelikatan larutan akueus 2wt.% hidroksietilselulosa (HEC) ialah 300 mPa·s, dan darjah penggantian ialah 2.5. Metilselulosa (MC, larutan akueus 2wt.% dengan kelikatan 400 mPa·s dan darjah penggantian 1.8). Hidroksipropil selulosa (HPC, larutan akueus 2wt.% dengan kelikatan 400 mPa·s dan darjah penggantian 2.5).
Penyediaan filem:
Disediakan melalui pemasangan lapisan kristal cecair pada silikon pada suhu 25°C. Kaedah rawatan matriks slaid adalah seperti berikut: rendam dalam larutan berasid (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) selama 30 minit, kemudian bilas dengan air ternyahion beberapa kali sehingga pH menjadi neutral, dan akhirnya keringkan dengan nitrogen tulen. Pemasangan LBL dilakukan menggunakan mesin automatik. Substrat direndam secara berselang-seli dalam larutan CE (0.2 mg/mL) dan larutan PAA (0.2 mg/mL), setiap larutan direndam selama 4 minit. Tiga rendaman bilasan selama 1 minit setiap satu dalam air ternyahion telah dilakukan antara setiap rendaman larutan untuk menanggalkan polimer yang melekat longgar. Nilai pH larutan pemasangan dan larutan pembilasan kedua-duanya diselaraskan kepada pH 2.0. Filem yang disediakan dilambangkan sebagai (CE/PAA)n, di mana n menandakan kitaran pemasangan. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 dan (HPC/PAA)30 disediakan terutamanya.
Pencirian Filem:
Spektrum pantulan hampir normal telah direkodkan dan dianalisis dengan NanoCalc-XR Ocean Optics, dan ketebalan filem yang termendap pada silikon diukur. Dengan substrat silikon kosong sebagai latar belakang, spektrum FT-IR filem nipis pada substrat silikon dikumpulkan pada spektrometer inframerah Nicolet 8700.
Interaksi ikatan hidrogen antara PAA dan CE:
Pemasangan HEC, MC dan HPC dengan PAA ke dalam filem LBL. Spektrum inframerah HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA ditunjukkan dalam rajah. Isyarat IR yang kuat bagi PAA dan CES boleh diperhatikan dengan jelas dalam spektrum IR HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA. Spektroskopi FT-IR boleh menganalisis kompleksasi ikatan hidrogen antara PAA dan CES dengan memantau anjakan jalur penyerapan ciri. Ikatan hidrogen antara CES dan PAA terutamanya berlaku antara oksigen hidroksil CES dan kumpulan COOH PAA. Selepas ikatan hidrogen terbentuk, puncak merah regangan beralih ke arah frekuensi rendah.
Puncak 1710 cm-1 diperhatikan untuk serbuk PAA tulen. Apabila poliakrilamida dipasang menjadi filem dengan CE yang berbeza, puncak filem HEC/PAA, MC/PAA dan MPC/PAA masing-masing terletak pada 1718 cm-1, 1720 cm-1 dan 1724 cm-1. Berbanding dengan serbuk PAA tulen, panjang puncak filem HPC/PAA, MC/PAA dan HEC/PAA masing-masing beralih sebanyak 14, 10 dan 8 cm−1. Ikatan hidrogen antara oksigen eter dan COOH mengganggu ikatan hidrogen antara kumpulan COOH. Lebih banyak ikatan hidrogen yang terbentuk antara PAA dan CE, lebih besar anjakan puncak CE/PAA dalam spektrum IR. HPC mempunyai darjah kompleksasi ikatan hidrogen tertinggi, PAA dan MC berada di tengah, dan HEC adalah yang terendah.
Tingkah laku pertumbuhan filem komposit PAA dan CE:
Tingkah laku pembentukan filem PAA dan CE semasa pemasangan LBL telah dikaji menggunakan QCM dan interferometri spektrum. QCM berkesan untuk memantau pertumbuhan filem in situ semasa beberapa kitaran pemasangan pertama. Interferometer spektrum sesuai untuk filem yang ditumbuhkan melebihi 10 kitaran.
Filem HEC/PAA menunjukkan pertumbuhan linear sepanjang proses pemasangan LBL, manakala filem MC/PAA dan HPC/PAA menunjukkan pertumbuhan eksponen pada peringkat awal pemasangan dan kemudian berubah menjadi pertumbuhan linear. Di kawasan pertumbuhan linear, semakin tinggi tahap kompleksasi, semakin besar pertumbuhan ketebalan setiap kitaran pemasangan.
Kesan pH larutan terhadap pertumbuhan filem:
Nilai pH larutan mempengaruhi pertumbuhan filem komposit polimer terikat hidrogen. Sebagai polielektrolit yang lemah, PAA akan terionisasi dan bercas negatif apabila pH larutan meningkat, sekali gus menghalang perkaitan ikatan hidrogen. Apabila tahap pengionan PAA mencapai tahap tertentu, PAA tidak dapat bergabung menjadi filem dengan penerima ikatan hidrogen dalam LBL.
Ketebalan filem berkurangan dengan peningkatan pH larutan, dan ketebalan filem berkurangan secara tiba-tiba pada pH 2.5 HPC/PAA dan pH 3.0-3.5 HPC/PAA. Titik kritikal HPC/PAA adalah kira-kira pH 3.5, manakala HEC/PAA adalah kira-kira 3.0. Ini bermakna apabila pH larutan pemasangan lebih tinggi daripada 3.5, filem HPC/PAA tidak dapat dibentuk, dan apabila pH larutan lebih tinggi daripada 3.0, filem HEC/PAA tidak dapat dibentuk. Disebabkan oleh tahap pengkompleksan ikatan hidrogen yang lebih tinggi bagi membran HPC/PAA, nilai pH kritikal membran HPC/PAA adalah lebih tinggi daripada membran HEC/PAA. Dalam larutan bebas garam, nilai pH kritikal bagi kompleks yang dibentuk oleh HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA masing-masing adalah kira-kira 2.9, 3.2 dan 3.7. pH kritikal HPC/PAA adalah lebih tinggi daripada HEC/PAA, yang konsisten dengan membran LBL.
Prestasi penyerapan air membran CE/PAA:
CES kaya dengan kumpulan hidroksil supaya ia mempunyai penyerapan air dan pengekalan air yang baik. Dengan mengambil membran HEC/PAA sebagai contoh, kapasiti penjerapan membran CE/PAA yang terikat hidrogen kepada air dalam persekitaran telah dikaji. Dicirikan oleh interferometri spektrum, ketebalan filem meningkat apabila filem menyerap air. Ia diletakkan dalam persekitaran dengan kelembapan boleh laras pada suhu 25°C selama 24 jam untuk mencapai keseimbangan penyerapan air. Filem-filem tersebut dikeringkan dalam ketuhar vakum (40°C) selama 24 jam untuk menghilangkan kelembapan sepenuhnya.
Apabila kelembapan meningkat, filem akan menebal. Di kawasan kelembapan rendah iaitu 30%-50%, pertumbuhan ketebalan adalah agak perlahan. Apabila kelembapan melebihi 50%, ketebalan akan meningkat dengan cepat. Berbanding dengan membran PVPON/PAA yang terikat hidrogen, membran HEC/PAA boleh menyerap lebih banyak air daripada persekitaran. Di bawah keadaan kelembapan relatif 70% (25°C), julat penebalan filem PVPON/PAA adalah kira-kira 4%, manakala filem HEC/PAA adalah setinggi kira-kira 18%. Keputusan menunjukkan bahawa walaupun sejumlah kumpulan OH dalam sistem HEC/PAA mengambil bahagian dalam pembentukan ikatan hidrogen, masih terdapat sejumlah besar kumpulan OH yang berinteraksi dengan air dalam persekitaran. Oleh itu, sistem HEC/PAA mempunyai sifat penyerapan air yang baik.
sebagai kesimpulan
(1) Sistem HPC/PAA dengan darjah ikatan hidrogen tertinggi iaitu CE dan PAA mempunyai pertumbuhan terpantas antara kedua-duanya, MC/PAA berada di tengah, dan HEC/PAA adalah yang terendah.
(2) Filem HEC/PAA menunjukkan mod pertumbuhan linear sepanjang proses penyediaan, manakala dua filem lain MC/PAA dan HPC/PAA menunjukkan pertumbuhan eksponen dalam beberapa kitaran pertama, dan kemudian berubah menjadi mod pertumbuhan linear.
(3) Pertumbuhan filem CE/PAA mempunyai pergantungan yang kuat pada pH larutan. Apabila pH larutan lebih tinggi daripada titik kritikalnya, PAA dan CE tidak dapat dipasang menjadi filem. Membran CE/PAA yang dipasang larut dalam larutan pH tinggi.
(4) Oleh kerana filem CE/PAA kaya dengan OH dan COOH, rawatan haba menjadikannya berangkai silang. Membran CE/PAA berangkai silang mempunyai kestabilan yang baik dan tidak larut dalam larutan pH yang tinggi.
(5) Filem CE/PAA mempunyai kapasiti penjerapan yang baik untuk air dalam persekitaran.
Masa siaran: 18 Feb-2023