Kaligiran ng Pananaliksik
Bilang isang natural, sagana, at nababagong mapagkukunan, ang cellulose ay nahaharap sa malalaking hamon sa praktikal na aplikasyon dahil sa mga katangian nito na hindi natutunaw at limitado ang solubility. Ang mataas na crystallinity at high-density hydrogen bonds sa istruktura ng cellulose ay ginagawa itong nabubulok ngunit hindi natutunaw habang nasa proseso ng pag-aari, at hindi natutunaw sa tubig at karamihan sa mga organic solvent. Ang kanilang mga derivatives ay nalilikha ng esterification at etherification ng mga hydroxyl group sa mga anhydroglucose unit sa polymer chain, at magpapakita ng ilang iba't ibang katangian kumpara sa natural na cellulose. Ang etherification reaction ng cellulose ay maaaring makabuo ng maraming water-soluble cellulose ethers, tulad ng methyl cellulose (MC), hydroxyethyl cellulose (HEC) at hydroxypropyl cellulose (HPC), na malawakang ginagamit sa pagkain, kosmetiko, sa mga parmasyutiko at medisina. Ang water-soluble CE ay maaaring bumuo ng mga hydrogen-bonded polymer na may polycarboxylic acids at polyphenols.
Ang layer-by-layer assembly (LBL) ay isang epektibong pamamaraan para sa paghahanda ng polymer composite thin films. Ang sumusunod ay pangunahing naglalarawan sa LBL assembly ng tatlong magkakaibang CE ng HEC, MC at HPC kasama ang PAA, inihahambing ang kanilang pag-uugali sa pag-assemble, at sinusuri ang impluwensya ng mga substituent sa LBL assembly. Siyasatin ang epekto ng pH sa kapal ng film, at ang iba't ibang pagkakaiba ng pH sa pagbuo at pagkatunaw ng film, at paunlarin ang mga katangian ng pagsipsip ng tubig ng CE/PAA.
Mga Materyales na Pang-eksperimento:
Polyacrylic acid (PAA, Mw = 450,000). Ang lagkit ng 2wt.% na may tubig na solusyon ng hydroxyethylcellulose (HEC) ay 300 mPa·s, at ang antas ng pagpapalit ay 2.5. Methylcellulose (MC, isang 2wt.% na may tubig na solusyon na may lagkit na 400 mPa·s at antas ng pagpapalit na 1.8). Hydroxypropyl cellulose (HPC, isang 2wt.% na may tubig na solusyon na may lagkit na 400 mPa·s at antas ng pagpapalit na 2.5).
Paghahanda ng pelikula:
Inihanda sa pamamagitan ng liquid crystal layer assembly sa silicon sa 25°C. Ang paraan ng pagproseso ng slide matrix ay ang mga sumusunod: ibabad sa acidic solution (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) sa loob ng 30 minuto, pagkatapos ay banlawan ng deionized water nang ilang beses hanggang sa maging neutral ang pH, at sa wakas ay patuyuin gamit ang purong nitrogen. Ang LBL assembly ay isinasagawa gamit ang awtomatikong makinarya. Ang substrate ay salitan na ibinabad sa CE solution (0.2 mg/mL) at PAA solution (0.2 mg/mL), at ang bawat solusyon ay ibinabad sa loob ng 4 na minuto. Tatlong rinse soaks na tig-1 minuto sa deionized water ang isinagawa sa pagitan ng bawat solution soak upang maalis ang maluwag na nakakabit na polymer. Ang mga pH value ng assembly solution at ng rinsing solution ay parehong inayos sa pH 2.0. Ang mga inihandang film ay minarkahan bilang (CE/PAA)n, kung saan ang n ay minarkahan ang assembly cycle. Ang (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 at (HPC/PAA)30 ay pangunahing inihanda.
Karakterisasyon ng Pelikula:
Ang mga halos normal na reflectance spectra ay naitala at sinuri gamit ang NanoCalc-XR Ocean Optics, at ang kapal ng mga pelikulang idineposito sa silicon ay sinukat. Gamit ang isang blangkong silicon substrate bilang background, ang FT-IR spectrum ng manipis na pelikula sa silicon substrate ay kinolekta sa isang Nicolet 8700 infrared spectrometer.
Mga interaksyon ng hydrogen bond sa pagitan ng PAA at CE:
Pagsasama-sama ng HEC, MC at HPC kasama ang PAA sa mga LBL film. Ang infrared spectra ng HEC/PAA, MC/PAA at HPC/PAA ay ipinapakita sa larawan. Ang malalakas na IR signal ng PAA at CES ay malinaw na makikita sa IR spectra ng HEC/PAA, MC/PAA at HPC/PAA. Maaaring suriin ng FT-IR spectroscopy ang hydrogen bond complexation sa pagitan ng PAA at CES sa pamamagitan ng pagsubaybay sa pagbabago ng mga characteristic absorption band. Ang hydrogen bonding sa pagitan ng CES at PAA ay pangunahing nangyayari sa pagitan ng hydroxyl oxygen ng CES at ng COOH group ng PAA. Matapos mabuo ang hydrogen bond, ang stretching peak red ay lumilipat sa direksyon ng low frequency.
Isang tugatog na 1710 cm-1 ang naobserbahan para sa purong pulbos ng PAA. Nang ang polyacrylamide ay pinagsama-sama sa mga pelikulang may iba't ibang CE, ang mga tugatog ng mga pelikulang HEC/PAA, MC/PAA at MPC/PAA ay matatagpuan sa 1718 cm-1, 1720 cm-1 at 1724 cm-1, ayon sa pagkakabanggit. Kung ikukumpara sa purong pulbos ng PAA, ang haba ng tugatog ng mga pelikulang HPC/PAA, MC/PAA at HEC/PAA ay lumipat ng 14, 10 at 8 cm−1, ayon sa pagkakabanggit. Ang hydrogen bond sa pagitan ng ether oxygen at COOH ay pumuputol sa hydrogen bond sa pagitan ng mga grupo ng COOH. Kung mas maraming hydrogen bond ang nabuo sa pagitan ng PAA at CE, mas malaki ang peak shift ng CE/PAA sa IR spectra. Ang HPC ang may pinakamataas na antas ng hydrogen bond complexation, ang PAA at MC ang nasa gitna, at ang HEC ang pinakamababa.
Pag-uugali ng paglaki ng mga composite film ng PAA at CE:
Ang gawi sa pagbuo ng pelikula ng mga PAA at CE habang binubuo ang LBL ay sinuri gamit ang QCM at spectral interferometry. Ang QCM ay epektibo para sa pagsubaybay sa paglaki ng pelikula in situ sa mga unang ilang siklo ng pagpupulong. Ang mga spectral interferometer ay angkop para sa mga pelikulang lumaki nang higit sa 10 siklo.
Ang HEC/PAA film ay nagpakita ng linear na paglago sa buong proseso ng LBL assembly, habang ang MC/PAA at HPC/PAA films ay nagpakita ng exponential na paglago sa mga unang yugto ng assembly at pagkatapos ay naging linear na paglago. Sa linear na rehiyon ng paglago, mas mataas ang antas ng complexation, mas malaki ang paglago ng kapal sa bawat cycle ng assembly.
Epekto ng pH ng solusyon sa paglaki ng pelikula:
Ang halaga ng pH ng solusyon ay nakakaapekto sa paglaki ng hydrogen bonded polymer composite film. Bilang isang mahinang polyelectrolyte, ang PAA ay ma-ionize at magiging negatibo ang karga habang tumataas ang pH ng solusyon, sa gayon ay mapipigilan ang hydrogen bond association. Kapag ang antas ng ionization ng PAA ay umabot sa isang tiyak na antas, ang PAA ay hindi maaaring mag-assemble sa isang film na may hydrogen bond acceptors sa LBL.
Bumaba ang kapal ng pelikula kasabay ng pagtaas ng pH ng solusyon, at biglang bumaba ang kapal ng pelikula sa pH na 2.5 HPC/PAA at pH na 3.0-3.5 HPC/PAA. Ang kritikal na punto ng HPC/PAA ay humigit-kumulang pH na 3.5, habang ang sa HEC/PAA ay humigit-kumulang 3.0. Nangangahulugan ito na kapag ang pH ng solusyong pinagsama-sama ay mas mataas sa 3.5, hindi mabubuo ang pelikulang HPC/PAA, at kapag ang pH ng solusyon ay mas mataas sa 3.0, hindi mabubuo ang pelikulang HEC/PAA. Dahil sa mas mataas na antas ng hydrogen bond complexation ng lamad ng HPC/PAA, ang kritikal na halaga ng pH ng lamad ng HPC/PAA ay mas mataas kaysa sa lamad ng HEC/PAA. Sa solusyong walang asin, ang kritikal na halaga ng pH ng mga complex na nabuo ng HEC/PAA, MC/PAA at HPC/PAA ay humigit-kumulang 2.9, 3.2 at 3.7, ayon sa pagkakabanggit. Ang kritikal na pH ng HPC/PAA ay mas mataas kaysa sa HEC/PAA, na naaayon sa LBL membrane.
Pagganap ng pagsipsip ng tubig ng lamad ng CE/PAA:
Mayaman ang CES sa mga hydroxyl group kaya naman mahusay ang pagsipsip at pagpapanatili ng tubig nito. Gamit ang HEC/PAA membrane bilang halimbawa, pinag-aralan ang kapasidad ng adsorption ng hydrogen-bonded CE/PAA membrane sa tubig sa kapaligiran. Nailalarawan sa pamamagitan ng spectral interferometry, tumataas ang kapal ng pelikula habang sinisipsip ng pelikula ang tubig. Inilagay ito sa isang kapaligiran na may adjustable humidity sa 25°C sa loob ng 24 oras upang makamit ang water absorption equilibrium. Ang mga pelikula ay pinatuyo sa isang vacuum oven (40°C) sa loob ng 24 oras upang tuluyang maalis ang moisture.
Habang tumataas ang humidity, kumakapal ang film. Sa mababang humidity area na 30%-50%, medyo mabagal ang paglaki ng kapal. Kapag lumampas ang humidity sa 50%, mabilis itong lumalaki. Kung ikukumpara sa hydrogen-bonded PVPON/PAA membrane, mas maraming tubig ang kayang sipsipin ng HEC/PAA membrane mula sa kapaligiran. Sa ilalim ng relatibong humidity na 70% (25°C), ang thickening range ng PVPON/PAA film ay humigit-kumulang 4%, habang ang sa HEC/PAA film ay kasingtaas ng humigit-kumulang 18%. Ipinakita ng mga resulta na bagama't may ilang OH group sa HEC/PAA system na lumahok sa pagbuo ng hydrogen bonds, mayroon pa ring malaking bilang ng OH group na nakikipag-ugnayan sa tubig sa kapaligiran. Samakatuwid, ang HEC/PAA system ay may mahusay na water absorption properties.
sa konklusyon
(1) Ang sistemang HPC/PAA na may pinakamataas na antas ng hydrogen bonding na CE at PAA ang may pinakamabilis na paglago sa kanila, ang MC/PAA ay nasa gitna, at ang HEC/PAA ang pinakamababa.
(2) Ang pelikulang HEC/PAA ay nagpakita ng linear growth mode sa buong proseso ng paghahanda, habang ang dalawa pang pelikulang MC/PAA at HPC/PAA ay nagpakita ng exponential growth sa mga unang ilang siklo, at pagkatapos ay naging linear growth mode.
(3) Ang paglaki ng CE/PAA film ay may malaking kaugnayan sa pH ng solusyon. Kapag ang pH ng solusyon ay mas mataas kaysa sa kritikal na punto nito, ang PAA at CE ay hindi maaaring mag-assemble sa isang film. Ang binuong CE/PAA membrane ay natutunaw sa mga solusyon na may mataas na pH.
(4) Dahil ang CE/PAA film ay mayaman sa OH at COOH, ang heat treatment ay ginagawa itong cross-linked. Ang cross-linked CE/PAA membrane ay may mahusay na estabilidad at hindi natutunaw sa mga solusyon na may mataas na pH.
(5) Ang CE/PAA film ay may mahusay na kapasidad sa pagsipsip ng tubig sa kapaligiran.
Oras ng pag-post: Pebrero 18, 2023