Sfondi i Hulumtimit
Si një burim natyror, i bollshëm dhe i rinovueshëm, celuloza has sfida të mëdha në aplikimet praktike për shkak të vetive të saj të mosshkrirjes dhe tretshmërisë së kufizuar. Kristaliniteti i lartë dhe lidhjet hidrogjenore me dendësi të lartë në strukturën e celulozës e bëjnë atë të degradohet, por të mos shkrihet gjatë procesit të zotërimit, dhe të patretshme në ujë dhe në shumicën e tretësve organikë. Derivatet e tyre prodhohen nga esterifikimi dhe eterifikimi i grupeve hidroksil në njësitë e anhidroglukozës në zinxhirin polimer dhe do të shfaqin disa veti të ndryshme krahasuar me celulozën natyrale. Reaksioni i eterifikimit të celulozës mund të gjenerojë shumë etere celuloze të tretshme në ujë, të tilla si metilceluloza (MC), hidroksietilceluloza (HEC) dhe hidroksipropilceluloza (HPC), të cilat përdoren gjerësisht në ushqim, kozmetikë, në farmaceutikë dhe mjekësi. CE i tretshëm në ujë mund të formojë polimere të lidhura me hidrogjen me acide polikarboksilike dhe polifenole.
Montimi shtresë për shtresë (LBL) është një metodë efektive për përgatitjen e filmave të hollë kompozitë polimerikë. Më poshtë përshkruhet kryesisht montimi LBL i tre CE-ve të ndryshme të HEC, MC dhe HPC me PAA, krahasohet sjellja e tyre e montimit dhe analizohet ndikimi i zëvendësuesve në montimin LBL. Hetoni efektin e pH-it në trashësinë e filmit dhe ndryshimet e ndryshme të pH-it në formimin dhe tretjen e filmit, dhe zhvilloni vetitë e thithjes së ujit të CE/PAA.
Materiale eksperimentale:
Acid poliakrilik (PAA, Mw = 450,000). Viskoziteti i tretësirës ujore 2% në peshë të hidroksietilcelulozës (HEC) është 300 mPa·s, dhe shkalla e zëvendësimit është 2.5. Metilcelulozë (MC, një tretësirë ujore 2% në peshë me një viskozitet prej 400 mPa·s dhe një shkallë zëvendësimi prej 1.8). Hidroksipropilcelulozë (HPC, një tretësirë ujore 2% në peshë me një viskozitet prej 400 mPa·s dhe një shkallë zëvendësimi prej 2.5).
Përgatitja e filmit:
Përgatitur me anë të montimit të shtresës së kristalit të lëngshëm në silikon në 25°C. Metoda e trajtimit të matricës së rrëshqitjes është si më poshtë: zhytja në tretësirë acidike (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) për 30 minuta, pastaj shpëlarja me ujë të dejonizuar disa herë derisa pH të bëhet neutral dhe në fund tharja me azot të pastër. Montimi i LBL kryhet duke përdorur makineri automatike. Substrati u zhyt në mënyrë alternative në tretësirë CE (0.2 mg/mL) dhe tretësirë PAA (0.2 mg/mL), secila tretësirë u zhyt për 4 minuta. Tre shpëlarje zhytjeje prej 1 minute secila në ujë të dejonizuar u kryen midis çdo zhytjeje në tretësirë për të hequr polimerin e lidhur lirshëm. Vlerat e pH-it të tretësirës së montimit dhe të tretësirës së shpëlarjes u rregulluan të dyja në pH 2.0. Filmat e përgatitur siç shënohen si (CE/PAA)n, ku n tregon ciklin e montimit. Kryesisht u përgatitën (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 dhe (HPC/PAA)30.
Karakterizimi i filmit:
Spektrat e reflektimit pothuajse normal u regjistruan dhe u analizuan me NanoCalc-XR Ocean Optics, dhe u mat trashësia e filmave të depozituar në silikon. Me një substrat silikoni bosh si sfond, spektri FT-IR i filmit të hollë në substratin e silikonit u mblodh në një spektrometër infra të kuq Nicolet 8700.
Ndërveprimet e lidhjeve hidrogjenore midis PAA dhe CE:
Montimi i HEC, MC dhe HPC me PAA në filma LBL. Spektrat infra të kuqe të HEC/PAA, MC/PAA dhe HPC/PAA tregohen në figurë. Sinjalet e forta IR të PAA dhe CES mund të vërehen qartë në spektrat IR të HEC/PAA, MC/PAA dhe HPC/PAA. Spektroskopia FT-IR mund të analizojë kompleksimin e lidhjes hidrogjenore midis PAA dhe CES duke monitoruar zhvendosjen e brezave karakteristikë të absorbimit. Lidhja hidrogjenore midis CES dhe PAA ndodh kryesisht midis oksigjenit hidroksil të CES dhe grupit COOH të PAA. Pasi formohet lidhja hidrogjenore, e kuqja e kulmit të shtrirjes zhvendoset në drejtimin e frekuencës së ulët.
Një kulm prej 1710 cm-1 u vu re për pluhurin e pastër PAA. Kur poliakrilamidi u mblodh në filma me CE të ndryshme, kulmet e filmave HEC/PAA, MC/PAA dhe MPC/PAA u vendosën në 1718 cm-1, 1720 cm-1 dhe 1724 cm-1, përkatësisht. Krahasuar me pluhurin e pastër PAA, gjatësitë e kulmeve të filmave HPC/PAA, MC/PAA dhe HEC/PAA u zhvendosën me 14, 10 dhe 8 cm-1, përkatësisht. Lidhja hidrogjenore midis oksigjenit eter dhe COOH ndërpret lidhjen hidrogjenore midis grupeve COOH. Sa më shumë lidhje hidrogjenore të formohen midis PAA dhe CE, aq më i madh është zhvendosja e kulmit të CE/PAA në spektrat IR. HPC ka shkallën më të lartë të kompleksimit të lidhjes hidrogjenore, PAA dhe MC janë në mes, dhe HEC është më i ulëti.
Sjellja e rritjes së filmave kompozitë të PAA dhe CE:
Sjellja e formimit të filmit të PAA dhe CE gjatë montimit të LBL u hetua duke përdorur QCM dhe interferometrinë spektrale. QCM është efektive për monitorimin e rritjes së filmit në vend gjatë cikleve të para të montimit. Interferometrat spektralë janë të përshtatshëm për filmat e rritur gjatë 10 cikleve.
Filmi HEC/PAA tregoi një rritje lineare gjatë gjithë procesit të montimit LBL, ndërsa filmat MC/PAA dhe HPC/PAA treguan një rritje eksponenciale në fazat e hershme të montimit dhe më pas u transformuan në një rritje lineare. Në rajonin e rritjes lineare, sa më e lartë të jetë shkalla e kompleksimit, aq më e madhe është rritja e trashësisë për ciklin e montimit.
Efekti i pH-it të tretësirës në rritjen e filmit:
Vlera e pH-it të tretësirës ndikon në rritjen e filmit kompozit polimer të lidhur me hidrogjen. Si një polielektrolit i dobët, PAA do të jonizohet dhe do të ngarkohet negativisht ndërsa pH i tretësirës rritet, duke penguar kështu shoqërimin e lidhjeve hidrogjenore. Kur shkalla e jonizimit të PAA-së arrinte një nivel të caktuar, PAA nuk mund të mblidhej në një film me pranues të lidhjeve hidrogjenore në LBL.
Trashësia e filmit u ul me rritjen e pH-it të tretësirës, dhe trashësia e filmit u ul papritur në pH 2.5 HPC/PAA dhe pH 3.0-3.5 HPC/PAA. Pika kritike e HPC/PAA është rreth pH 3.5, ndërsa ajo e HEC/PAA është rreth 3.0. Kjo do të thotë që kur pH i tretësirës së montimit është më i lartë se 3.5, filmi HPC/PAA nuk mund të formohet, dhe kur pH i tretësirës është më i lartë se 3.0, filmi HEC/PAA nuk mund të formohet. Për shkak të shkallës më të lartë të kompleksimit të lidhjeve hidrogjenore të membranës HPC/PAA, vlera kritike e pH-it të membranës HPC/PAA është më e lartë se ajo e membranës HEC/PAA. Në tretësirë pa kripë, vlerat kritike të pH-it të komplekseve të formuara nga HEC/PAA, MC/PAA dhe HPC/PAA ishin përkatësisht rreth 2.9, 3.2 dhe 3.7. pH kritik i HPC/PAA është më i lartë se ai i HEC/PAA, gjë që është në përputhje me atë të membranës LBL.
Performanca e thithjes së ujit të membranës CE/PAA:
CES është i pasur me grupe hidroksil, kështu që ka thithje dhe mbajtje të mirë të ujit. Duke marrë si shembull membranën HEC/PAA, u studiua kapaciteti i adsorbimit të membranës CE/PAA të lidhur me hidrogjen në ujë në mjedis. Karakterizuar nga interferometria spektrale, trashësia e filmit rritet ndërsa filmi thith ujin. Ai u vendos në një mjedis me lagështi të rregullueshme në 25°C për 24 orë për të arritur ekuilibrin e thithjes së ujit. Filmat u thanë në një furrë vakumi (40 °C) për 24 orë për të hequr plotësisht lagështinë.
Ndërsa lagështia rritet, filmi trashet. Në zonën me lagështi të ulët prej 30%-50%, rritja e trashësisë është relativisht e ngadaltë. Kur lagështia tejkalon 50%, trashësia rritet me shpejtësi. Krahasuar me membranën PVPON/PAA të lidhur me hidrogjen, membrana HEC/PAA mund të thithë më shumë ujë nga mjedisi. Në kushtet e lagështisë relative prej 70% (25°C), diapazoni i trashjes së filmit PVPON/PAA është rreth 4%, ndërsa ai i filmit HEC/PAA është deri në rreth 18%. Rezultatet treguan se megjithëse një sasi e caktuar e grupeve OH në sistemin HEC/PAA mori pjesë në formimin e lidhjeve hidrogjenore, ende kishte një numër të konsiderueshëm të grupeve OH që bashkëvepronin me ujin në mjedis. Prandaj, sistemi HEC/PAA ka veti të mira të thithjes së ujit.
në përfundim
(1) Sistemi HPC/PAA me shkallën më të lartë të lidhjes hidrogjenore të CE dhe PAA ka rritjen më të shpejtë midis tyre, MC/PAA është në mes, dhe HEC/PAA është më i ulëti.
(2) Filmi HEC/PAA tregoi një mënyrë lineare rritjeje gjatë gjithë procesit të përgatitjes, ndërsa dy filmat e tjerë MC/PAA dhe HPC/PAA treguan një rritje eksponenciale në ciklet e para, dhe më pas u transformuan në një mënyrë lineare rritjeje.
(3) Rritja e filmit CE/PAA ka një varësi të fortë nga pH i tretësirës. Kur pH i tretësirës është më i lartë se pika e saj kritike, PAA dhe CE nuk mund të bashkohen në një film. Membrana e mbledhur CE/PAA ishte e tretshme në tretësira me pH të lartë.
(4) Meqenëse filmi CE/PAA është i pasur me OH dhe COOH, trajtimi termik e bën atë të lidhur në mënyrë të kryqëzuar. Membrana CE/PAA e lidhur në mënyrë të kryqëzuar ka stabilitet të mirë dhe është e patretshme në tretësira me pH të lartë.
(5) Filmi CE/PAA ka kapacitet të mirë adsorbimi për ujin në mjedis.
Koha e postimit: 18 shkurt 2023