సెల్యులోజ్ ఈథర్/పాలియాక్రిలిక్ యాసిడ్ హైడ్రోజన్ బాండింగ్ ఫిల్మ్

పరిశోధన నేపథ్యం

సహజమైన, సమృద్ధిగా మరియు పునరుత్పాదక వనరుగా, సెల్యులోజ్ దాని కరగని మరియు పరిమిత ద్రావణీయత లక్షణాల కారణంగా ఆచరణాత్మక అనువర్తనాల్లో గొప్ప సవాళ్లను ఎదుర్కొంటుంది. సెల్యులోజ్ నిర్మాణంలో అధిక స్ఫటికాకారత మరియు అధిక సాంద్రత కలిగిన హైడ్రోజన్ బంధాలు దానిని క్షీణింపజేస్తాయి కానీ స్వాధీన ప్రక్రియలో కరగవు, మరియు నీటిలో మరియు చాలా సేంద్రీయ ద్రావకాలలో కరగవు. వాటి ఉత్పన్నాలు పాలిమర్ గొలుసులోని అన్హైడ్రోగ్లూకోజ్ యూనిట్లపై హైడ్రాక్సిల్ సమూహాల ఎస్టెరిఫికేషన్ మరియు ఈథెరిఫికేషన్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడతాయి మరియు సహజ సెల్యులోజ్‌తో పోలిస్తే కొన్ని విభిన్న లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి. సెల్యులోజ్ యొక్క ఈథెరిఫికేషన్ ప్రతిచర్య ఆహారం, సౌందర్య సాధనాలు, ఔషధాలు మరియు వైద్యంలో విస్తృతంగా ఉపయోగించే మిథైల్ సెల్యులోజ్ (MC), హైడ్రాక్సీథైల్ సెల్యులోజ్ (HEC) మరియు హైడ్రాక్సీప్రొపైల్ సెల్యులోజ్ (HPC) వంటి అనేక నీటిలో కరిగే సెల్యులోజ్ ఈథర్‌లను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. నీటిలో కరిగే CE పాలీకార్బాక్సిలిక్ ఆమ్లాలు మరియు పాలీఫెనాల్స్‌తో హైడ్రోజన్-బంధిత పాలిమర్‌లను ఏర్పరుస్తుంది.

పాలిమర్ కాంపోజిట్ థిన్ ఫిల్మ్‌లను తయారు చేయడానికి లేయర్-బై-లేయర్ అసెంబ్లీ (LBL) ఒక ప్రభావవంతమైన పద్ధతి. కిందిది ప్రధానంగా HEC, MC మరియు HPC యొక్క మూడు వేర్వేరు CEల LBL అసెంబ్లీని PAAతో వివరిస్తుంది, వాటి అసెంబ్లీ ప్రవర్తనను పోల్చి చూస్తుంది మరియు LBL అసెంబ్లీపై ప్రత్యామ్నాయాల ప్రభావాన్ని విశ్లేషిస్తుంది. ఫిల్మ్ మందంపై pH ప్రభావాన్ని మరియు ఫిల్మ్ నిర్మాణం మరియు రద్దుపై pH యొక్క విభిన్న వ్యత్యాసాలను పరిశోధించండి మరియు CE/PAA యొక్క నీటి శోషణ లక్షణాలను అభివృద్ధి చేయండి.

ప్రయోగాత్మక సామగ్రి:

పాలియాక్రిలిక్ ఆమ్లం (PAA, Mw = 450,000). హైడ్రాక్సీథైల్ సెల్యులోజ్ (HEC) యొక్క 2wt.% జల ద్రావణం యొక్క స్నిగ్ధత 300 mPa·s, మరియు ప్రత్యామ్నాయ డిగ్రీ 2.5. మిథైల్ సెల్యులోజ్ (MC, 400 mPa·s స్నిగ్ధత మరియు 1.8 ప్రత్యామ్నాయ డిగ్రీ కలిగిన 2wt.% జల ద్రావణం). హైడ్రాక్సీప్రొపైల్ సెల్యులోజ్ (HPC, 400 mPa·s స్నిగ్ధత మరియు 2.5 ప్రత్యామ్నాయ డిగ్రీ కలిగిన 2wt.% జల ద్రావణం).

సినిమా తయారీ:

25°C వద్ద సిలికాన్‌పై ద్రవ క్రిస్టల్ పొర అసెంబ్లీ ద్వారా తయారు చేయబడింది. స్లయిడ్ మ్యాట్రిక్స్ యొక్క చికిత్సా పద్ధతి ఈ క్రింది విధంగా ఉంది: ఆమ్ల ద్రావణంలో (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 నిమిషాలు నానబెట్టి, ఆపై pH తటస్థంగా మారే వరకు డీయోనైజ్డ్ నీటితో చాలాసార్లు శుభ్రం చేసి, చివరకు స్వచ్ఛమైన నైట్రోజన్‌తో ఆరబెట్టండి. LBL అసెంబ్లీని ఆటోమేటిక్ యంత్రాలను ఉపయోగించి నిర్వహిస్తారు. సబ్‌స్ట్రేట్‌ను ప్రత్యామ్నాయంగా CE ద్రావణం (0.2 mg/mL) మరియు PAA ద్రావణం (0.2 mg/mL)లో నానబెట్టారు, ప్రతి ద్రావణాన్ని 4 నిమిషాలు నానబెట్టారు. వదులుగా జతచేయబడిన పాలిమర్‌ను తొలగించడానికి ప్రతి ద్రావణం సోక్ మధ్య డీయోనైజ్డ్ నీటిలో ఒక్కొక్కటి 1 నిమిషం చొప్పున మూడు రిన్స్ సోక్‌లను నిర్వహించారు. అసెంబ్లీ ద్రావణం మరియు రిన్సింగ్ ద్రావణం యొక్క pH విలువలు రెండూ pH 2.0కి సర్దుబాటు చేయబడ్డాయి. సిద్ధం చేసిన ఫిల్మ్‌లను (CE/PAA)nగా సూచిస్తారు, ఇక్కడ n అసెంబ్లీ చక్రాన్ని సూచిస్తుంది. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 మరియు (HPC/PAA)30 ప్రధానంగా తయారు చేయబడ్డాయి.

సినిమా పాత్ర వివరణ:

నానోకాల్క్-ఎక్స్ఆర్ ఓషన్ ఆప్టిక్స్ తో దాదాపు సాధారణ ప్రతిబింబ స్పెక్ట్రాను రికార్డ్ చేసి విశ్లేషించారు మరియు సిలికాన్ పై నిక్షిప్తం చేయబడిన ఫిల్మ్ ల మందాన్ని కొలుస్తారు. ఖాళీ సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను నేపథ్యంగా తీసుకుని, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై ఉన్న సన్నని ఫిల్మ్ యొక్క FT-IR స్పెక్ట్రమ్‌ను నికోలెట్ 8700 ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రోమీటర్‌పై సేకరించారు.

PAA మరియు CE ల మధ్య హైడ్రోజన్ బంధ పరస్పర చర్యలు:

HEC, MC మరియు HPC లను PAA తో LBL ఫిల్మ్‌లుగా అసెంబుల్ చేయడం. HEC/PAA, MC/PAA మరియు HPC/PAA యొక్క ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రాను చిత్రంలో చూపించారు. PAA మరియు CES యొక్క బలమైన IR సంకేతాలను HEC/PAA, MC/PAA మరియు HPC/PAA యొక్క IR స్పెక్ట్రాలో స్పష్టంగా గమనించవచ్చు. FT-IR స్పెక్ట్రోస్కోపీ లక్షణ శోషణ బ్యాండ్ల మార్పును పర్యవేక్షించడం ద్వారా PAA మరియు CES మధ్య హైడ్రోజన్ బంధ సంక్లిష్టతను విశ్లేషించగలదు. CES మరియు PAA మధ్య హైడ్రోజన్ బంధం ప్రధానంగా CES యొక్క హైడ్రాక్సిల్ ఆక్సిజన్ మరియు PAA యొక్క COOH సమూహం మధ్య జరుగుతుంది. హైడ్రోజన్ బంధం ఏర్పడిన తర్వాత, సాగదీయడం శిఖరం ఎరుపు తక్కువ పౌనఃపున్య దిశకు మారుతుంది.

స్వచ్ఛమైన PAA పౌడర్ కోసం 1710 cm-1 గరిష్ట స్థాయిని గమనించవచ్చు. వివిధ CEలతో పాలియాక్రిలమైడ్‌ను ఫిల్మ్‌లుగా అమర్చినప్పుడు, HEC/PAA, MC/PAA మరియు MPC/PAA ఫిల్మ్‌ల శిఖరాలు వరుసగా 1718 cm-1, 1720 cm-1 మరియు 1724 cm-1 వద్ద ఉన్నాయి. స్వచ్ఛమైన PAA పౌడర్‌తో పోలిస్తే, HPC/PAA, MC/PAA మరియు HEC/PAA ఫిల్మ్‌ల గరిష్ట పొడవులు వరుసగా 14, 10 మరియు 8 cm−1 మారాయి. ఈథర్ ఆక్సిజన్ మరియు COOH మధ్య హైడ్రోజన్ బంధం COOH సమూహాల మధ్య హైడ్రోజన్ బంధాన్ని అంతరాయం కలిగిస్తుంది. PAA మరియు CE మధ్య ఎక్కువ హైడ్రోజన్ బంధాలు ఏర్పడితే, IR స్పెక్ట్రాలో CE/PAA యొక్క గరిష్ట స్థాయి మార్పు అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. HPC అత్యధిక స్థాయి హైడ్రోజన్ బాండ్ కాంప్లెక్సేషన్‌ను కలిగి ఉంటుంది, PAA మరియు MC మధ్యలో ఉంటాయి మరియు HEC అత్యల్పంగా ఉంటుంది.

PAA మరియు CE ల మిశ్రమ చిత్రాల పెరుగుదల ప్రవర్తన:

LBL అసెంబ్లీ సమయంలో PAA మరియు CE ల ఫిల్మ్-ఫార్మింగ్ ప్రవర్తనను QCM మరియు స్పెక్ట్రల్ ఇంటర్‌ఫెరోమెట్రీ ఉపయోగించి పరిశోధించారు. మొదటి కొన్ని అసెంబ్లీ చక్రాల సమయంలో ఫిల్మ్ పెరుగుదలను సిటులో పర్యవేక్షించడానికి QCM ప్రభావవంతంగా ఉంటుంది. స్పెక్ట్రల్ ఇంటర్‌ఫెరోమీటర్లు 10 చక్రాల కంటే ఎక్కువ పెరిగిన ఫిల్మ్‌లకు అనుకూలంగా ఉంటాయి.

HEC/PAA ఫిల్మ్ LBL అసెంబ్లీ ప్రక్రియ అంతటా లీనియర్ గ్రోత్‌ను చూపించగా, MC/PAA మరియు HPC/PAA ఫిల్మ్‌లు అసెంబ్లీ ప్రారంభ దశలలో ఘాతాంక వృద్ధిని చూపించి, ఆపై లీనియర్ గ్రోత్‌గా రూపాంతరం చెందాయి. లీనియర్ గ్రోత్ ప్రాంతంలో, సంక్లిష్టత స్థాయి ఎక్కువగా ఉంటే, అసెంబ్లీ చక్రానికి మందం పెరుగుదల అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది.

ద్రావణం pH పొర పెరుగుదలపై ప్రభావం:

ద్రావణం యొక్క pH విలువ హైడ్రోజన్ బాండెడ్ పాలిమర్ కాంపోజిట్ ఫిల్మ్ పెరుగుదలను ప్రభావితం చేస్తుంది. బలహీనమైన పాలీఎలక్ట్రోలైట్‌గా, ద్రావణం యొక్క pH పెరిగేకొద్దీ PAA అయనీకరణం చెందుతుంది మరియు రుణాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడుతుంది, తద్వారా హైడ్రోజన్ బాండ్ అసోసియేషన్‌ను నిరోధిస్తుంది. PAA యొక్క అయనీకరణ స్థాయి ఒక నిర్దిష్ట స్థాయికి చేరుకున్నప్పుడు, PAA LBLలో హైడ్రోజన్ బాండ్ అంగీకారాలతో ఒక ఫిల్మ్‌లో అసెంబుల్ కాలేదు.

ద్రావణం pH పెరుగుదలతో ఫిల్మ్ మందం తగ్గింది మరియు pH2.5 HPC/PAA మరియు pH3.0-3.5 HPC/PAA వద్ద ఫిల్మ్ మందం అకస్మాత్తుగా తగ్గింది. HPC/PAA యొక్క క్లిష్టమైన బిందువు pH 3.5, అయితే HEC/PAA యొక్క క్లిష్టమైన బిందువు 3.0. దీని అర్థం అసెంబ్లీ ద్రావణం యొక్క pH 3.5 కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, HPC/PAA ఫిల్మ్ ఏర్పడదు మరియు ద్రావణం యొక్క pH 3.0 కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, HEC/PAA ఫిల్మ్ ఏర్పడదు. HPC/PAA పొర యొక్క హైడ్రోజన్ బంధ సంక్లిష్టత యొక్క అధిక స్థాయి కారణంగా, HPC/PAA పొర యొక్క క్లిష్టమైన pH విలువ HEC/PAA పొర కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఉప్పు లేని ద్రావణంలో, HEC/PAA, MC/PAA మరియు HPC/PAA ద్వారా ఏర్పడిన కాంప్లెక్స్‌ల యొక్క క్లిష్టమైన pH విలువలు వరుసగా 2.9, 3.2 మరియు 3.7 ఉన్నాయి. HPC/PAA యొక్క క్లిష్టమైన pH HEC/PAA కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది LBL పొరకు అనుగుణంగా ఉంటుంది.

CE/ PAA పొర యొక్క నీటి శోషణ పనితీరు:

CES హైడ్రాక్సిల్ సమూహాలతో సమృద్ధిగా ఉంటుంది, తద్వారా ఇది మంచి నీటి శోషణ మరియు నీటి నిలుపుదలని కలిగి ఉంటుంది. HEC/PAA పొరను ఉదాహరణగా తీసుకుంటే, వాతావరణంలో హైడ్రోజన్-బంధిత CE/PAA పొర యొక్క నీటి శోషణ సామర్థ్యాన్ని అధ్యయనం చేశారు. స్పెక్ట్రల్ ఇంటర్‌ఫెరోమెట్రీ ద్వారా వర్గీకరించబడిన ఈ ఫిల్మ్ నీటిని గ్రహిస్తున్నప్పుడు ఫిల్మ్ మందం పెరుగుతుంది. నీటి శోషణ సమతుల్యతను సాధించడానికి దీనిని 25°C వద్ద సర్దుబాటు చేయగల తేమతో కూడిన వాతావరణంలో 24 గంటలు ఉంచారు. తేమను పూర్తిగా తొలగించడానికి ఫిల్మ్‌లను 24 గంటలు వాక్యూమ్ ఓవెన్‌లో (40°C) ఎండబెట్టారు.

తేమ పెరిగేకొద్దీ, పొర చిక్కగా అవుతుంది. 30%-50% తక్కువ తేమ ప్రాంతంలో, మందం పెరుగుదల సాపేక్షంగా నెమ్మదిగా ఉంటుంది. తేమ 50% దాటినప్పుడు, మందం వేగంగా పెరుగుతుంది. హైడ్రోజన్-బంధిత PVPON/PAA పొరతో పోలిస్తే, HEC/PAA పొర పర్యావరణం నుండి ఎక్కువ నీటిని గ్రహించగలదు. 70% (25°C) సాపేక్ష ఆర్ద్రత పరిస్థితిలో, PVPON/PAA పొర యొక్క గట్టిపడటం పరిధి దాదాపు 4% ఉంటుంది, అయితే HEC/PAA పొర యొక్క గట్టిపడటం పరిధి దాదాపు 18% వరకు ఉంటుంది. HEC/PAA వ్యవస్థలో కొంత మొత్తంలో OH సమూహాలు హైడ్రోజన్ బంధాల ఏర్పాటులో పాల్గొన్నప్పటికీ, వాతావరణంలో నీటితో సంకర్షణ చెందే గణనీయమైన సంఖ్యలో OH సమూహాలు ఇప్పటికీ ఉన్నాయని ఫలితాలు చూపించాయి. అందువల్ల, HEC/PAA వ్యవస్థ మంచి నీటి శోషణ లక్షణాలను కలిగి ఉంది.

ముగింపులో

(1) CE మరియు PAA ల యొక్క అత్యధిక హైడ్రోజన్ బంధన డిగ్రీ కలిగిన HPC/PAA వ్యవస్థ వాటిలో అత్యంత వేగవంతమైన వృద్ధిని కలిగి ఉంది, MC/PAA మధ్యలో ఉంది మరియు HEC/PAA అత్యల్పంగా ఉంది.

(2) HEC/PAA ఫిల్మ్ తయారీ ప్రక్రియ అంతటా లీనియర్ గ్రోత్ మోడ్‌ను చూపించగా, మిగిలిన రెండు ఫిల్మ్‌లు MC/PAA మరియు HPC/PAA మొదటి కొన్ని చక్రాలలో ఘాతాంక వృద్ధిని చూపించాయి మరియు తరువాత లీనియర్ గ్రోత్ మోడ్‌గా రూపాంతరం చెందాయి.

(3) CE/PAA ఫిల్మ్ పెరుగుదల ద్రావణం pH పై బలమైన ఆధారపడటం కలిగి ఉంటుంది. ద్రావణం pH దాని క్లిష్టమైన పాయింట్ కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, PAA మరియు CE ఒక ఫిల్మ్‌గా సమావేశమవ్వలేవు. సమావేశమైన CE/PAA పొర అధిక pH ద్రావణాలలో కరుగుతుంది.

(4) CE/PAA ఫిల్మ్‌లో OH మరియు COOH పుష్కలంగా ఉండటం వలన, వేడి చికిత్స దానిని క్రాస్-లింక్డ్‌గా చేస్తుంది. క్రాస్-లింక్డ్ CE/PAA పొర మంచి స్థిరత్వాన్ని కలిగి ఉంటుంది మరియు అధిక pH ద్రావణాలలో కరగదు.

(5) CE/PAA ఫిల్మ్ వాతావరణంలో నీటికి మంచి శోషణ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది.