Pētījuma priekšvēsture
Celuloze kā dabisks, bagātīgs un atjaunojams resurss saskaras ar lieliem izaicinājumiem praktiskā pielietojumā, jo tā nekušanas un ierobežotās šķīdības īpašības. Celulozes struktūras augstā kristāliskuma un augsta blīvuma ūdeņraža saites liek tai noārdīties, bet neizkausēt glabāšanas procesā, kā arī nešķīst ūdenī un lielākajā daļā organisko šķīdinātāju. To atvasinājumi tiek iegūti, esterificējot un ēterējot hidroksilgrupas polimēra ķēdes anhidroglikozes vienībās, un tiem būs dažas atšķirīgas īpašības salīdzinājumā ar dabisko celulozi. Celulozes ēterizācijas reakcija var radīt daudzus ūdenī šķīstošos celulozes ēterus, piemēram, metilcelulozi (MC), hidroksietilcelulozi (HEC) un hidroksipropilcelulozi (HPC), ko plaši izmanto pārtikā, kosmētikā, farmācijā un medicīnā. Ūdenī šķīstošs CE var veidot ar ūdeņradi saistītus polimērus ar polikarbonskābēm un polifenoliem.
Layer-by-layer montāža (LBL) ir efektīva metode polimēru kompozītmateriālu plānu kārtiņu sagatavošanai. Tālāk galvenokārt aprakstīta trīs dažādu HEC, MC un HPC CE LBL montāža ar PAA, salīdzināta to montāžas uzvedība un analizēta aizvietotāju ietekme uz LBL montāžu. Izpētiet pH ietekmi uz plēves biezumu un dažādās pH atšķirības uz plēves veidošanos un šķīdināšanu un attīstiet CE/PAA ūdens absorbcijas īpašības.
Eksperimentālie materiāli:
Poliakrilskābe (PAA, Mw = 450 000). Hidroksietilcelulozes (HEC) 2 masas% ūdens šķīduma viskozitāte ir 300 mPa·s, un aizvietošanas pakāpe ir 2,5. Metilceluloze (MC, 2 masas % ūdens šķīdums ar viskozitāti 400 mPa·s un aizvietošanas pakāpi 1,8). Hidroksipropilceluloze (HPC, 2 masas % ūdens šķīdums ar viskozitāti 400 mPa·s un aizvietošanas pakāpi 2,5).
Filmas sagatavošana:
Sagatavots ar šķidro kristālu slāņa montāžu uz silīcija 25°C temperatūrā. Priekšmetstikliņu matricas apstrādes metode ir šāda: mērcēt skābā šķīdumā (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 minūtes, pēc tam vairākas reizes skalot ar dejonizētu ūdeni, līdz pH kļūst neitrāls, un beigās nosusināt ar tīru slāpekli. LBL montāža tiek veikta, izmantojot automātiku. Substrātu pārmaiņus iemērc CE šķīdumā (0, 2 mg / ml) un PAA šķīdumā (0, 2 mg / ml), katrs šķīdums tika mērcēts 4 minūtes. Starp katru mērcēšanu šķīdumā tika veiktas trīs skalošanas mērcēšanas pa 1 minūti dejonizētā ūdenī, lai noņemtu brīvi piestiprinātu polimēru. Montāžas šķīduma un skalošanas šķīduma pH vērtības tika noregulētas uz pH 2,0. Sagatavotās plēves ir apzīmētas kā (CE/PAA)n, kur n apzīmē montāžas ciklu. Galvenokārt tika sagatavoti (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 un (HPC/PAA)30.
Filmas raksturojums:
Gandrīz normāli atstarošanas spektri tika reģistrēti un analizēti ar NanoCalc-XR Ocean Optics, un tika izmērīts uz silīcija nogulsnēto plēvju biezums. Izmantojot tukšu silīcija substrātu kā fonu, plānās kārtiņas FT-IR spektrs uz silīcija substrāta tika savākts ar Nicolet 8700 infrasarkano staru spektrometru.
Ūdeņraža saites mijiedarbība starp PAA un CE:
HEC, MC un HPC ar PAA montāža LBL plēvēs. HEC/PAA, MC/PAA un HPC/PAA infrasarkanie spektri ir parādīti attēlā. Spēcīgos PAA un CES IR signālus var skaidri novērot HEC/PAA, MC/PAA un HPC/PAA IR spektros. FT-IR spektroskopija var analizēt ūdeņraža saites kompleksu veidošanos starp PAA un CES, uzraugot raksturīgo absorbcijas joslu nobīdi. Ūdeņraža saite starp CES un PAA galvenokārt notiek starp CES hidroksilskābekli un PAA COOH grupu. Pēc ūdeņraža saites izveidošanās sarkanais stiepšanās maksimums pāriet zemas frekvences virzienā.
Tīram PAA pulverim tika novērots maksimums 1710 cm-1. Kad poliakrilamīds tika salikts plēvēs ar dažādiem CE, HEC/PAA, MC/PAA un MPC/PAA plēvju maksimumi atradās attiecīgi pie 1718 cm-1, 1720 cm-1 un 1724 cm-1. Salīdzinot ar tīru PAA pulveri, HPC / PAA, MC / PAA un HEC / PAA plēvju pīķu garumi mainījās attiecīgi par 14, 10 un 8 cm−1. Ūdeņraža saite starp ētera skābekli un COOH pārtrauc ūdeņraža saiti starp COOH grupām. Jo vairāk ūdeņraža saišu veidojas starp PAA un CE, jo lielāka ir CE/PAA pīķa nobīde IR spektros. HPC ir visaugstākā ūdeņraža saites kompleksizācijas pakāpe, PAA un MC atrodas vidū, bet HEC ir viszemākā.
PAA un CE salikto plēvju augšanas uzvedība:
PAA un CE plēves veidošanās uzvedība LBL montāžas laikā tika pētīta, izmantojot QCM un spektrālo interferometriju. QCM ir efektīvs, lai uzraudzītu plēves augšanu in situ dažu pirmo montāžas ciklu laikā. Spektrālie interferometri ir piemēroti filmām, kas audzētas vairāk nekā 10 ciklos.
HEC/PAA plēve uzrādīja lineāru izaugsmi visā LBL montāžas procesā, savukārt MC/PAA un HPC/PAA plēves uzrādīja eksponenciālu pieaugumu montāžas sākumposmā un pēc tam pārvērtās lineārā augšanā. Lineārās augšanas reģionā, jo augstāka ir kompleksa veidošanās pakāpe, jo lielāks ir biezuma pieaugums montāžas ciklā.
Šķīduma pH ietekme uz plēves augšanu:
Šķīduma pH vērtība ietekmē ar ūdeņradi saistītā polimēra kompozītmateriāla plēves augšanu. Tā kā PAA ir vājš polielektrolīts, tas tiks jonizēts un negatīvi uzlādēts, palielinoties šķīduma pH, tādējādi kavējot ūdeņraža saites asociāciju. Kad PAA jonizācijas pakāpe sasniedza noteiktu līmeni, PAA nevarēja salikt plēvi ar ūdeņraža saites akceptoriem LBL.
Plēves biezums samazinājās, palielinoties šķīduma pH, un plēves biezums pēkšņi samazinājās pie pH 2,5 HPC/PAA un pH 3,0-3,5 HPC/PAA. HPC/PAA kritiskais punkts ir aptuveni 3,5 pH, savukārt HEC/PAA ir aptuveni 3,0. Tas nozīmē, ka tad, ja montāžas šķīduma pH ir augstāks par 3,5, nevar izveidoties HPC/PAA plēve, savukārt, ja šķīduma pH ir augstāks par 3,0, HEC/PAA plēve nevar veidoties. Pateicoties augstākai HPC/PAA membrānas ūdeņraža saišu kompleksizācijas pakāpei, HPC/PAA membrānas kritiskā pH vērtība ir augstāka nekā HEC/PAA membrānai. Bezsāls šķīdumā HEC/PAA, MC/PAA un HPC/PAA veidoto kompleksu kritiskās pH vērtības bija attiecīgi aptuveni 2,9, 3,2 un 3,7. HPC / PAA kritiskais pH ir augstāks nekā HEC / PAA, kas atbilst LBL membrānas pH līmenim.
CE/PAA membrānas ūdens absorbcijas īpašības:
CES ir bagāta ar hidroksilgrupām, tāpēc tai ir laba ūdens uzsūkšanās un ūdens aizture. Ņemot par piemēru HEC/PAA membrānu, tika pētīta ar ūdeņradi saistītās CE/PAA membrānas adsorbcijas spēja ūdenī vidē. To raksturo spektrālā interferometrija, plēves biezums palielinās, plēvei absorbējot ūdeni. Tas tika novietots vidē ar regulējamu mitrumu 25 ° C temperatūrā 24 stundas, lai sasniegtu ūdens absorbcijas līdzsvaru. Plēves žāvēja vakuuma krāsnī (40 ° C) 24 stundas, lai pilnībā noņemtu mitrumu.
Palielinoties mitrumam, plēve sabiezē. Zemā mitruma zonā 30–50% biezuma pieaugums ir salīdzinoši lēns. Kad mitrums pārsniedz 50%, biezums strauji aug. Salīdzinot ar ūdeņraža savienojumu PVPON/PAA membrānu, HEC/PAA membrāna var absorbēt vairāk ūdens no vides. Ja relatīvais mitrums ir 70% (25°C), PVPON/PAA plēves sabiezēšanas diapazons ir aptuveni 4%, savukārt HEC/PAA plēves biezuma diapazons ir aptuveni 18%. Rezultāti parādīja, ka, lai gan zināms daudzums OH grupu HEC/PAA sistēmā piedalījās ūdeņraža saišu veidošanā, vidē joprojām bija ievērojams skaits OH grupu, kas mijiedarbojas ar ūdeni. Tāpēc HEC/PAA sistēmai ir labas ūdens absorbcijas īpašības.
noslēgumā
(1) HPC/PAA sistēmai ar augstāko CE un PAA ūdeņraža saites pakāpi ir visstraujākā izaugsme, MC/PAA atrodas vidū, bet HEC/PAA ir viszemākā.
(2) HEC/PAA plēve uzrādīja lineāru augšanas režīmu visā sagatavošanas procesā, savukārt pārējās divas plēves MC/PAA un HPC/PAA uzrādīja eksponenciālu izaugsmi pirmajos dažos ciklos un pēc tam pārveidoja lineārā augšanas režīmā.
(3) CE/PAA plēves augšanai ir liela atkarība no šķīduma pH. Ja šķīduma pH ir augstāks par tā kritisko punktu, PAA un CE nevar apvienoties plēvē. Samontētā CE / PAA membrāna šķīst augsta pH šķīdumos.
(4) Tā kā CE/PAA plēve ir bagāta ar OH un COOH, termiskā apstrāde padara to sasaistītu. Šķērsšūtai CE/PAA membrānai ir laba stabilitāte un tā nešķīst augsta pH šķīdumos.
(5) CE/PAA plēvei ir laba ūdens adsorbcijas spēja vidē.
Publicēšanas laiks: 18. februāris 2023