సెల్యులోజ్ ఈథర్/పాలియాక్రిలిక్ యాసిడ్ హైడ్రోజన్ బంధ ఫిల్మ్

పరిశోధన నేపథ్యం

సహజమైన, సమృద్ధిగా లభించే మరియు పునరుత్పాదక వనరు అయిన సెల్యులోజ్, దాని కరగని మరియు పరిమిత ద్రావణీయత లక్షణాల కారణంగా ఆచరణాత్మక అనువర్తనాలలో గొప్ప సవాళ్లను ఎదుర్కొంటుంది. సెల్యులోజ్ నిర్మాణంలోని అధిక స్ఫటికాకృతి మరియు అధిక సాంద్రత గల హైడ్రోజన్ బంధాలు, దానిని శోషక ప్రక్రియలో కరగకుండా క్షీణింపజేస్తాయి, మరియు నీటిలో, చాలా సేంద్రీయ ద్రావకాలలో కరగకుండా చేస్తాయి. పాలిమర్ గొలుసులోని అనహైడ్రోగ్లూకోజ్ యూనిట్లపై ఉన్న హైడ్రాక్సిల్ సమూహాల ఎస్టరిఫికేషన్ మరియు ఈథరిఫికేషన్ ద్వారా వాటి ఉత్పన్నాలు ఉత్పత్తి చేయబడతాయి, మరియు ఇవి సహజ సెల్యులోజ్‌తో పోలిస్తే కొన్ని విభిన్న లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి. సెల్యులోజ్ యొక్క ఈథరిఫికేషన్ చర్య ద్వారా మిథైల్ సెల్యులోజ్ (MC), హైడ్రాక్సీఇథైల్ సెల్యులోజ్ (HEC) మరియు హైడ్రాక్సీప్రొపైల్ సెల్యులోజ్ (HPC) వంటి అనేక నీటిలో కరిగే సెల్యులోజ్ ఈథర్‌లను ఉత్పత్తి చేయవచ్చు, వీటిని ఆహారం, సౌందర్య సాధనాలు, ఔషధాలు మరియు వైద్యంలో విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తారు. నీటిలో కరిగే CE, పాలీకార్బాక్సిలిక్ ఆమ్లాలు మరియు పాలీఫెనాల్స్‌తో హైడ్రోజన్-బంధిత పాలిమర్‌లను ఏర్పరచగలదు.

పాలిమర్ కాంపోజిట్ పలుచని పొరలను తయారు చేయడానికి పొర-పొర అమరిక (LBL) ఒక సమర్థవంతమైన పద్ధతి. ఈ క్రిందిది ప్రధానంగా HEC, MC మరియు HPC అనే మూడు విభిన్న CE లను PAA తో LBL పద్ధతిలో అమర్చడాన్ని వివరిస్తుంది, వాటి అమరిక ప్రవర్తనను పోల్చి చూస్తుంది, మరియు LBL అమరికపై ప్రత్యామ్నాయాల ప్రభావాన్ని విశ్లేషిస్తుంది. పొర మందంపై pH ప్రభావాన్ని, మరియు పొర ఏర్పడటం మరియు కరిగిపోవడంపై pH లోని విభిన్న వ్యత్యాసాలను పరిశోధించి, CE/PAA యొక్క నీటి శోషణ లక్షణాలను అభివృద్ధి చేస్తుంది.

ప్రయోగాత్మక పదార్థాలు:

పాలీయాక్రిలిక్ ఆమ్లం (PAA, Mw = 450,000). హైడ్రాక్సీఇథైల్‌సెల్యులోజ్ (HEC) యొక్క 2wt.% జల ద్రావణం యొక్క స్నిగ్ధత 300 mPa·s, మరియు ప్రతిక్షేపణ స్థాయి 2.5. మిథైల్‌సెల్యులోజ్ (MC, 400 mPa·s స్నిగ్ధత మరియు 1.8 ప్రతిక్షేపణ స్థాయి కలిగిన 2wt.% జల ద్రావణం). హైడ్రాక్సీప్రొపైల్ సెల్యులోజ్ (HPC, 400 mPa·s స్నిగ్ధత మరియు 2.5 ప్రతిక్షేపణ స్థాయి కలిగిన 2wt.% జల ద్రావణం).

సినిమా తయారీ:

25°C వద్ద సిలికాన్‌పై లిక్విడ్ క్రిస్టల్ లేయర్ అసెంబ్లీ ద్వారా తయారు చేయబడింది. స్లైడ్ మ్యాట్రిక్స్ యొక్క చికిత్సా పద్ధతి ఈ క్రింది విధంగా ఉంది: ఆమ్ల ద్రావణంలో (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 నిమిషాల పాటు నానబెట్టాలి, తరువాత pH తటస్థంగా మారే వరకు డీయోనైజ్డ్ నీటితో అనేకసార్లు కడగాలి, మరియు చివరగా స్వచ్ఛమైన నైట్రోజన్‌తో ఆరబెట్టాలి. LBL అసెంబ్లీ ఆటోమేటిక్ యంత్రాలను ఉపయోగించి నిర్వహించబడుతుంది. సబ్‌స్ట్రేట్‌ను CE ద్రావణం (0.2 mg/mL) మరియు PAA ద్రావణం (0.2 mg/mL) లలో ఒకదాని తర్వాత ఒకటిగా నానబెట్టారు, ప్రతి ద్రావణంలో 4 నిమిషాల పాటు నానబెట్టారు. వదులుగా అంటుకున్న పాలిమర్‌ను తొలగించడానికి, ప్రతి ద్రావణంలో నానబెట్టడానికి మధ్య డీయోనైజ్డ్ నీటిలో ఒక్కో నిమిషం చొప్పున మూడుసార్లు కడిగారు. అసెంబ్లీ ద్రావణం మరియు కడిగే ద్రావణం రెండింటి pH విలువలను pH 2.0 కు సర్దుబాటు చేశారు. ఈ విధంగా తయారు చేసిన ఫిల్మ్‌లను (CE/PAA)n గా సూచిస్తారు, ఇక్కడ n అసెంబ్లీ చక్రాన్ని సూచిస్తుంది. ప్రధానంగా (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 మరియు (HPC/PAA)30 తయారు చేయబడ్డాయి.

సినిమా పాత్ర చిత్రణ:

నానోకాల్క్-XR ఓషన్ ఆప్టిక్స్‌తో దాదాపు సాధారణ పరావర్తన వర్ణపటాలను నమోదు చేసి, విశ్లేషించారు మరియు సిలికాన్‌పై జమ చేయబడిన ఫిల్మ్‌ల మందాన్ని కొలిచారు. ఖాళీ సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను నేపథ్యంగా తీసుకుని, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై ఉన్న పలుచని ఫిల్మ్ యొక్క FT-IR వర్ణపటాన్ని నికోలెట్ 8700 ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రోమీటర్‌పై సేకరించారు.

PAA మరియు CEల మధ్య హైడ్రోజన్ బంధ పరస్పర చర్యలు:

HEC, MC మరియు HPC లను PAA తో కలిపి LBL ఫిల్మ్‌లుగా సమీకరించడం. HEC/PAA, MC/PAA మరియు HPC/PAA ల యొక్క ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రాలు చిత్రంలో చూపబడ్డాయి. HEC/PAA, MC/PAA మరియు HPC/PAA ల యొక్క IR స్పెక్ట్రాలలో PAA మరియు CES ల యొక్క బలమైన IR సిగ్నల్స్‌ను స్పష్టంగా గమనించవచ్చు. FT-IR స్పెక్ట్రోస్కోపీ, లక్షణ శోషణ బ్యాండ్‌ల మార్పును పర్యవేక్షించడం ద్వారా PAA మరియు CES ల మధ్య హైడ్రోజన్ బంధ సంక్లిష్టతను విశ్లేషించగలదు. CES మరియు PAA ల మధ్య హైడ్రోజన్ బంధం ప్రధానంగా CES యొక్క హైడ్రాక్సిల్ ఆక్సిజన్ మరియు PAA యొక్క COOH సమూహం మధ్య ఏర్పడుతుంది. హైడ్రోజన్ బంధం ఏర్పడిన తర్వాత, స్ట్రెచింగ్ పీక్ తక్కువ ఫ్రీక్వెన్సీ దిశకు రెడ్ షిఫ్ట్ అవుతుంది.

స్వచ్ఛమైన PAA పౌడర్ కోసం 1710 cm-1 వద్ద ఒక శిఖరం గమనించబడింది. పాలీయాక్రిలమైడ్‌ను వివిధ CE లతో ఫిల్మ్‌లుగా సమీకరించినప్పుడు, 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 శిఖర పొడవులు వరుసగా 14, 10 మరియు 8 cm−1 మేర మారాయి. ఈథర్ ఆక్సిజన్ మరియు COOH మధ్య ఉన్న హైడ్రోజన్ బంధం, COOH సమూహాల మధ్య ఉన్న హైడ్రోజన్ బంధానికి అంతరాయం కలిగిస్తుంది. PAA మరియు CE మధ్య ఎంత ఎక్కువ హైడ్రోజన్ బంధాలు ఏర్పడితే, IR స్పెక్ట్రాలో CE/PAA యొక్క శిఖర మార్పు అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది. HPC అత్యధిక స్థాయిలో హైడ్రోజన్ బంధ సంక్లిష్టతను కలిగి ఉంది, PAA మరియు MC మధ్యస్థంగా ఉన్నాయి, మరియు HEC అత్యల్పంగా ఉంది.

PAA మరియు CEల మిశ్రమ ఫిల్మ్‌ల పెరుగుదల ప్రవర్తన:

LBL అసెంబ్లీ సమయంలో PAA మరియు CEల యొక్క ఫిల్మ్-ఏర్పడే ప్రవర్తనను QCM మరియు స్పెక్ట్రల్ ఇంటర్‌ఫెరోమెట్రీని ఉపయోగించి పరిశోధించారు. మొదటి కొన్ని అసెంబ్లీ సైకిల్స్ సమయంలో ఫిల్మ్ పెరుగుదలను యథాతథంగా పర్యవేక్షించడానికి QCM సమర్థవంతంగా పనిచేస్తుంది. 10 సైకిల్స్ పైగా పెరిగిన ఫిల్మ్‌లకు స్పెక్ట్రల్ ఇంటర్‌ఫెరోమీటర్లు అనుకూలంగా ఉంటాయి.

LBL అసెంబ్లీ ప్రక్రియ అంతటా HEC/PAA ఫిల్మ్ సరళ పెరుగుదలను కనబరిచింది, అయితే MC/PAA మరియు HPC/PAA ఫిల్మ్‌లు అసెంబ్లీ ప్రారంభ దశలలో ఘాతాంక పెరుగుదలను కనబరిచి, ఆపై సరళ పెరుగుదలగా మారాయి. సరళ పెరుగుదల ప్రాంతంలో, సంక్లిష్టత స్థాయి ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, ప్రతి అసెంబ్లీ చక్రానికి మందం పెరుగుదల అంత ఎక్కువగా ఉంటుంది.

ఫిల్మ్ పెరుగుదలపై ద్రావణ pH ప్రభావం:

ద్రావణం యొక్క pH విలువ హైడ్రోజన్ బంధిత పాలిమర్ కాంపోజిట్ ఫిల్మ్ యొక్క పెరుగుదలను ప్రభావితం చేస్తుంది. ఒక బలహీనమైన పాలీఎలెక్ట్రోలైట్ అయినందున, ద్రావణం యొక్క pH పెరిగేకొద్దీ PAA అయనీకరణం చెంది రుణాత్మక ఆవేశాన్ని పొందుతుంది, తద్వారా హైడ్రోజన్ బంధ అనుసంధానాన్ని నిరోధిస్తుంది. PAA యొక్క అయనీకరణ స్థాయి ఒక నిర్దిష్ట స్థాయికి చేరుకున్నప్పుడు, LBLలోని హైడ్రోజన్ బంధ స్వీకర్తలతో PAA ఒక ఫిల్మ్‌గా ఏర్పడలేదు.

ద్రావణం యొక్క pH పెరిగే కొద్దీ ఫిల్మ్ మందం తగ్గింది, మరియు pH2.5 HPC/PAA మరియు pH3.0-3.5 HPC/PAA వద్ద ఫిల్మ్ మందం అకస్మాత్తుగా తగ్గింది. HPC/PAA యొక్క క్రిటికల్ పాయింట్ సుమారుగా pH 3.5 కాగా, HEC/PAA యొక్క క్రిటికల్ పాయింట్ సుమారుగా 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 పొరలో హైడ్రోజన్ బంధ సంక్లిష్టత అధిక స్థాయిలో ఉండటం వలన, HPC/PAA పొర యొక్క క్రిటికల్ pH విలువ HEC/PAA పొర కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది. లవణ రహిత ద్రావణంలో, HEC/PAA, MC/PAA మరియు HPC/PAA లచే ఏర్పడిన సంక్లిష్టాల క్రిటికల్ pH విలువలు వరుసగా సుమారుగా 2.9, 3.2 మరియు 3.7 గా ఉన్నాయి. HPC/PAA యొక్క క్లిష్టమైన pH, HEC/PAA కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది LBL పొర యొక్క లక్షణానికి అనుగుణంగా ఉంటుంది.

CE/ PAA పొర యొక్క నీటి శోషణ పనితీరు:

CES లో హైడ్రాక్సిల్ సమూహాలు సమృద్ధిగా ఉంటాయి, అందువల్ల దీనికి మంచి నీటి శోషణ మరియు నీటి నిలుపుదల సామర్థ్యం ఉంటుంది. HEC/PAA పొరను ఉదాహరణగా తీసుకుని, పర్యావరణంలోని నీటి పట్ల హైడ్రోజన్-బంధిత CE/PAA పొర యొక్క శోషణ సామర్థ్యాన్ని అధ్యయనం చేశారు. స్పెక్ట్రల్ ఇంటర్‌ఫెరోమెట్రీ ద్వారా, పొర నీటిని శోషించుకున్న కొద్దీ దాని మందం పెరుగుతుందని నిర్ధారించారు. నీటి శోషణ సమతుల్యతను సాధించడానికి, దీనిని 24 గంటల పాటు 25°C వద్ద, సర్దుబాటు చేయగల తేమ ఉన్న వాతావరణంలో ఉంచారు. తేమను పూర్తిగా తొలగించడానికి, ఈ పొరలను వాక్యూమ్ ఓవెన్ (40 °C)లో 24 గంటల పాటు ఆరబెట్టారు.

గాలిలో తేమ పెరిగే కొద్దీ, పొర మందంగా మారుతుంది. 30%-50% తక్కువ తేమ ఉన్న ప్రాంతంలో, మందం పెరుగుదల సాపేక్షంగా నెమ్మదిగా ఉంటుంది. తేమ 50% దాటినప్పుడు, మందం వేగంగా పెరుగుతుంది. హైడ్రోజన్ బంధాలు గల PVPON/PAA పొరతో పోలిస్తే, HEC/PAA పొర పరిసరాల నుండి ఎక్కువ నీటిని గ్రహించగలదు. 70% సాపేక్ష ఆర్ద్రత (25°C) పరిస్థితులలో, PVPON/PAA పొర మందం సుమారు 4% ఉండగా, HEC/PAA పొర మందం సుమారు 18% వరకు ఉంది. HEC/PAA వ్యవస్థలో కొంత మొత్తంలో OH సమూహాలు హైడ్రోజన్ బంధాల ఏర్పాటులో పాల్గొన్నప్పటికీ, పరిసరాలలోని నీటితో చర్య జరిపే OH సమూహాలు కూడా గణనీయమైన సంఖ్యలో ఉన్నాయని ఫలితాలు చూపించాయి. అందువల్ల, HEC/PAA వ్యవస్థ మంచి నీటి శోషణ లక్షణాలను కలిగి ఉంది.

ముగింపులో

(1) CE మరియు PAA లలో అత్యధిక హైడ్రోజన్ బంధం 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 సరళ వృద్ధి విధానాన్ని చూపించింది, అయితే ఇతర రెండు ఫిల్మ్‌లు MC/PAA మరియు HPC/PAA మొదటి కొన్ని చక్రాలలో ఘాతాంక వృద్ధిని చూపించాయి, ఆపై సరళ వృద్ధి విధానంలోకి మారాయి.

(3) CE/PAA ఫిల్మ్ పెరుగుదల ద్రావణం యొక్క pH పై బలంగా ఆధారపడి ఉంటుంది. ద్రావణం యొక్క pH దాని క్రిటికల్ పాయింట్ కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, PAA మరియు CE ఒక ఫిల్మ్‌గా ఏర్పడలేవు. ఏర్పడిన CE/PAA పొర అధిక pH ద్రావణాలలో కరుగుతుంది.

(4) CE/PAA ఫిల్మ్ OH మరియు COOH లతో సమృద్ధిగా ఉన్నందున, ఉష్ణ చికిత్స దానిని క్రాస్-లింక్ చేస్తుంది. క్రాస్-లింక్ చేయబడిన CE/PAA పొర మంచి స్థిరత్వాన్ని కలిగి ఉంటుంది మరియు అధిక pH ద్రావణాలలో కరగదు.

(5) CE/PAA ఫిల్మ్ పర్యావరణంలోని నీటిని బాగా శోషించుకునే సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటుంది.