Bối cảnh nghiên cứu
Là một nguồn tài nguyên tự nhiên, dồi dào và có thể tái tạo, cellulose gặp phải nhiều thách thức trong các ứng dụng thực tiễn do đặc tính không tan chảy và độ hòa tan hạn chế. Độ kết tinh cao và mật độ liên kết hydro cao trong cấu trúc cellulose khiến nó bị phân hủy nhưng không tan chảy trong quá trình xử lý, và không tan trong nước cũng như hầu hết các dung môi hữu cơ. Các dẫn xuất của nó được tạo ra bằng phản ứng este hóa và ete hóa các nhóm hydroxyl trên các đơn vị anhydroglucose trong chuỗi polymer, và sẽ thể hiện một số tính chất khác biệt so với cellulose tự nhiên. Phản ứng ete hóa cellulose có thể tạo ra nhiều ete cellulose hòa tan trong nước, chẳng hạn như methyl cellulose (MC), hydroxyethyl cellulose (HEC) và hydroxypropyl cellulose (HPC), được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và y học. CE hòa tan trong nước có thể tạo thành các polymer liên kết hydro với axit polycarboxylic và polyphenol.
Phương pháp lắp ráp từng lớp (LBL) là một phương pháp hiệu quả để chế tạo màng mỏng composite polymer. Phần tiếp theo chủ yếu mô tả quá trình lắp ráp LBL của ba loại CE khác nhau là HEC, MC và HPC với PAA, so sánh hành vi lắp ráp của chúng và phân tích ảnh hưởng của các nhóm thế đến quá trình lắp ráp LBL. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến độ dày màng, và sự khác biệt về pH đến quá trình hình thành và hòa tan màng, đồng thời phát triển các đặc tính hấp thụ nước của CE/PAA.
Vật liệu thí nghiệm:
Axit polyacrylic (PAA, Mw = 450.000). Độ nhớt của dung dịch nước hydroxyethylcellulose (HEC) 2% theo trọng lượng là 300 mPa·s, và độ thế là 2,5. Methylcellulose (MC, dung dịch nước 2% theo trọng lượng có độ nhớt 400 mPa·s và độ thế là 1,8). Hydroxypropyl cellulose (HPC, dung dịch nước 2% theo trọng lượng có độ nhớt 400 mPa·s và độ thế là 2,5).
Chuẩn bị phim:
Màng mỏng được chế tạo bằng phương pháp lắp ráp lớp tinh thể lỏng trên silicon ở 25°C. Phương pháp xử lý ma trận trượt như sau: ngâm trong dung dịch axit (H2SO4/H2O2, 7/3 thể tích/thể tích) trong 30 phút, sau đó rửa nhiều lần bằng nước khử ion cho đến khi pH trung tính, và cuối cùng làm khô bằng khí nitơ tinh khiết. Quá trình lắp ráp LBL được thực hiện bằng máy móc tự động. Chất nền được ngâm luân phiên trong dung dịch CE (0,2 mg/mL) và dung dịch PAA (0,2 mg/mL), mỗi dung dịch được ngâm trong 4 phút. Ba lần rửa, mỗi lần 1 phút bằng nước khử ion được thực hiện giữa mỗi lần ngâm dung dịch để loại bỏ polymer bám lỏng lẻo. Giá trị pH của dung dịch lắp ráp và dung dịch rửa đều được điều chỉnh đến pH 2,0. Các màng được chế tạo được ký hiệu là (CE/PAA)n, trong đó n biểu thị chu kỳ lắp ráp. Chủ yếu chế tạo các màng (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 và (HPC/PAA)30.
Phân tích nhân vật trong phim:
Các phổ phản xạ gần bình thường được ghi lại và phân tích bằng phần mềm NanoCalc-XR Ocean Optics, và độ dày của các lớp màng được lắng đọng trên silicon đã được đo. Với chất nền silicon trống làm nền, phổ FT-IR của màng mỏng trên chất nền silicon được thu thập trên máy quang phổ hồng ngoại Nicolet 8700.
Tương tác liên kết hydro giữa PAA và CE:
Sự kết hợp của HEC, MC và HPC với PAA thành màng LBL. Phổ hồng ngoại của HEC/PAA, MC/PAA và HPC/PAA được thể hiện trong hình. Các tín hiệu hồng ngoại mạnh của PAA và CES có thể được quan sát rõ ràng trong phổ hồng ngoại của HEC/PAA, MC/PAA và HPC/PAA. Quang phổ FT-IR có thể phân tích sự hình thành liên kết hydro giữa PAA và CES bằng cách theo dõi sự dịch chuyển của các dải hấp thụ đặc trưng. Liên kết hydro giữa CES và PAA chủ yếu xảy ra giữa oxy hydroxyl của CES và nhóm COOH của PAA. Sau khi liên kết hydro được hình thành, đỉnh kéo giãn dịch chuyển về phía tần số thấp hơn.
Đỉnh hấp thụ ở 1710 cm⁻¹ được quan sát thấy ở bột PAA nguyên chất. Khi polyacrylamide được kết hợp thành màng với các CE khác nhau, các đỉnh của màng HEC/PAA, MC/PAA và MPC/PAA lần lượt nằm ở 1718 cm⁻¹, 1720 cm⁻¹ và 1724 cm⁻¹. So với bột PAA nguyên chất, độ dài đỉnh của màng HPC/PAA, MC/PAA và HEC/PAA dịch chuyển lần lượt 14, 10 và 8 cm⁻¹. Liên kết hydro giữa oxy ete và COOH làm gián đoạn liên kết hydro giữa các nhóm COOH. Càng nhiều liên kết hydro được hình thành giữa PAA và CE, sự dịch chuyển đỉnh của CE/PAA trong phổ IR càng lớn. HPC có mức độ phức hợp liên kết hydro cao nhất, PAA và MC ở mức trung bình, và HEC là thấp nhất.
Quá trình phát triển của màng composite PAA và CE:
Quá trình tạo màng của PAA và CE trong quá trình lắp ráp LBL đã được nghiên cứu bằng QCM và giao thoa kế quang phổ. QCM hiệu quả trong việc theo dõi sự phát triển của màng tại chỗ trong vài chu kỳ lắp ráp đầu tiên. Giao thoa kế quang phổ phù hợp cho các màng được tạo ra trong hơn 10 chu kỳ.
Màng HEC/PAA cho thấy sự tăng trưởng tuyến tính trong suốt quá trình lắp ráp LBL, trong khi màng MC/PAA và HPC/PAA cho thấy sự tăng trưởng theo cấp số mũ ở giai đoạn đầu lắp ráp và sau đó chuyển sang tăng trưởng tuyến tính. Trong vùng tăng trưởng tuyến tính, mức độ phức hợp càng cao thì độ dày tăng càng lớn sau mỗi chu kỳ lắp ráp.
Ảnh hưởng của độ pH dung dịch đến sự phát triển màng:
Giá trị pH của dung dịch ảnh hưởng đến sự phát triển của màng composite polymer liên kết hydro. Là một chất điện phân yếu, PAA sẽ bị ion hóa và mang điện tích âm khi pH của dung dịch tăng lên, do đó ức chế sự hình thành liên kết hydro. Khi mức độ ion hóa của PAA đạt đến một mức nhất định, PAA không thể tự lắp ráp thành màng với các chất nhận liên kết hydro trong LBL.
Độ dày màng giảm khi độ pH của dung dịch tăng, và giảm đột ngột ở pH 2,5 đối với HPC/PAA và pH 3,0-3,5 đối với HPC/PAA. Điểm tới hạn của HPC/PAA là khoảng pH 3,5, trong khi đó của HEC/PAA là khoảng 3,0. Điều này có nghĩa là khi độ pH của dung dịch lắp ráp cao hơn 3,5, màng HPC/PAA không thể hình thành, và khi độ pH của dung dịch cao hơn 3,0, màng HEC/PAA không thể hình thành. Do mức độ phức hợp liên kết hydro cao hơn của màng HPC/PAA, giá trị pH tới hạn của màng HPC/PAA cao hơn so với màng HEC/PAA. Trong dung dịch không có muối, giá trị pH tới hạn của các phức hợp được hình thành bởi HEC/PAA, MC/PAA và HPC/PAA lần lượt là khoảng 2,9, 3,2 và 3,7. Độ pH tới hạn của HPC/PAA cao hơn so với HEC/PAA, điều này phù hợp với màng LBL.
Khả năng hấp thụ nước của màng CE/PAA:
CES giàu nhóm hydroxyl nên có khả năng hấp thụ và giữ nước tốt. Lấy màng HEC/PAA làm ví dụ, khả năng hấp thụ nước trong môi trường của màng CE/PAA liên kết hydro đã được nghiên cứu. Được đặc trưng bằng phương pháp giao thoa quang phổ, độ dày màng tăng lên khi màng hấp thụ nước. Màng được đặt trong môi trường có độ ẩm điều chỉnh được ở 25°C trong 24 giờ để đạt trạng thái cân bằng hấp thụ nước. Các màng được sấy khô trong lò chân không (40°C) trong 24 giờ để loại bỏ hoàn toàn hơi ẩm.
Khi độ ẩm tăng lên, màng phim dày lên. Trong vùng độ ẩm thấp từ 30%-50%, tốc độ tăng độ dày tương đối chậm. Khi độ ẩm vượt quá 50%, độ dày tăng nhanh. So với màng PVPON/PAA liên kết hydro, màng HEC/PAA có khả năng hấp thụ nhiều nước hơn từ môi trường. Ở điều kiện độ ẩm tương đối 70% (25°C), phạm vi tăng độ dày của màng PVPON/PAA khoảng 4%, trong khi đó của màng HEC/PAA có thể lên tới khoảng 18%. Kết quả cho thấy, mặc dù một lượng nhất định các nhóm OH trong hệ thống HEC/PAA tham gia vào sự hình thành liên kết hydro, vẫn còn một lượng đáng kể các nhóm OH tương tác với nước trong môi trường. Do đó, hệ thống HEC/PAA có đặc tính hấp thụ nước tốt.
tóm lại
(1) Hệ thống HPC/PAA với mức độ liên kết hydro cao nhất của CE và PAA có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong số đó, MC/PAA ở mức trung bình và HEC/PAA là thấp nhất.
(2) Màng HEC/PAA thể hiện chế độ tăng trưởng tuyến tính trong suốt quá trình chuẩn bị, trong khi hai màng còn lại MC/PAA và HPC/PAA thể hiện sự tăng trưởng theo cấp số mũ trong vài chu kỳ đầu tiên, sau đó chuyển sang chế độ tăng trưởng tuyến tính.
(3) Sự phát triển của màng CE/PAA phụ thuộc mạnh vào độ pH của dung dịch. Khi độ pH của dung dịch cao hơn điểm tới hạn, PAA và CE không thể kết hợp thành màng. Màng CE/PAA được kết hợp có thể hòa tan trong dung dịch có độ pH cao.
(4) Vì màng CE/PAA giàu OH và COOH nên xử lý nhiệt làm cho nó liên kết chéo. Màng CE/PAA liên kết chéo có độ ổn định tốt và không tan trong dung dịch có độ pH cao.
(5) Màng CE/PAA có khả năng hấp thụ nước tốt trong môi trường.
Thời gian đăng bài: 18/02/2023