Kutatási háttér
Természetes, bőséges és megújuló erőforrásként a cellulóz a gyakorlati alkalmazások során nagy kihívások elé állítja nem olvadó és korlátozott oldhatósági tulajdonságait.A cellulóz szerkezetében lévő nagy kristályosság és nagy sűrűségű hidrogénkötések miatt a cellulóz lebomlik, de nem olvad meg a birtoklási folyamat során, és vízben és a legtöbb szerves oldószerben nem oldódik.Származékaikat a polimerlánc anhidroglükóz egységein lévő hidroxilcsoportok észterezésével és éterezésével állítják elő, és a természetes cellulózhoz képest néhány eltérő tulajdonságot mutatnak.A cellulóz éterezési reakciója számos vízoldható cellulóz-étert, például metil-cellulózt (MC), hidroxi-etil-cellulózt (HEC) és hidroxi-propil-cellulózt (HPC) hozhat létre, amelyeket széles körben használnak élelmiszerekben, kozmetikumokban, gyógyszeriparban és gyógyászatban.A vízben oldódó CE hidrogénkötésű polimereket képezhet polikarbonsavakkal és polifenolokkal.
A rétegről rétegre történő összeszerelés (LBL) hatékony módszer polimer kompozit vékonyrétegek előállítására.Az alábbiakban elsősorban a HEC, MC és HPC három különböző CE-jének PAA-val történő LBL-összeállítását írjuk le, összehasonlítjuk összeszerelési viselkedésüket, és elemzi a szubsztituensek hatását az LBL-összeállításra.Vizsgálja meg a pH hatását a filmvastagságra, illetve a pH különböző különbségeit a filmképződésre és oldódásra, és fejlessze ki a CE/PAA vízabszorpciós tulajdonságait.
Kísérleti anyagok:
Poliakrilsav (PAA, Mw = 450 000).A hidroxi-etil-cellulóz (HEC) 2 tömeg%-os vizes oldatának viszkozitása 300 mPa·s, a helyettesítés mértéke 2,5.Metil-cellulóz (MC, 2 tömeg%-os vizes oldat, 400 mPa·s viszkozitású és 1,8 szubsztitúciós fokkal).Hidroxipropil-cellulóz (HPC, 2 tömeg%-os vizes oldat, 400 mPa·s viszkozitású és 2,5 szubsztitúciós fokkal).
Film előkészítés:
Szilíciumra 25°C-on folyadékkristályos réteg összeállítással készült.A tárgylemez mátrix kezelési módja a következő: savas oldatban (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) áztatjuk 30 percig, majd ionmentesített vízzel többször öblítjük, amíg a pH semleges lesz, végül tiszta nitrogénnel szárítjuk.Az LBL összeszerelése automata gépekkel történik.A szubsztrátot felváltva áztattuk CE-oldatban (0,2 mg/ml) és PAA-oldatban (0,2 mg/ml), mindegyik oldatot 4 percig áztattuk.Három 1 perces öblítést végeztünk ioncserélt vízben az egyes oldatos áztatások között, hogy eltávolítsuk a lazán kötődő polimert.Az összeszerelő oldat és az öblítőoldat pH-értékeit egyaránt 2,0-ra állítottuk be.Az előkészített fóliák jelölése (CE/PAA)n, ahol n az összeszerelési ciklust jelöli.Főleg (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 és (HPC/PAA)30 készült.
A film jellemzése:
A közel normál reflexiós spektrumokat NanoCalc-XR Ocean Optics-szal vettük fel és elemeztük, és megmértük a szilíciumra felvitt filmek vastagságát.Egy vak szilícium szubsztráttal a háttérben, a szilícium szubsztrátumon lévő vékony film FT-IR spektrumát Nicolet 8700 infravörös spektrométerrel gyűjtöttük össze.
Hidrogénkötés kölcsönhatások PAA és CE-k között:
HEC, MC és HPC összeszerelése PAA-val LBL fóliákba.A HEC/PAA, MC/PAA és HPC/PAA infravörös spektruma az ábrán látható.A PAA és CES erős IR jelei jól megfigyelhetők a HEC/PAA, MC/PAA és HPC/PAA IR spektrumában.Az FT-IR spektroszkópia a jellemző abszorpciós sávok eltolódásának nyomon követésével elemzi a PAA és a CES közötti hidrogénkötés komplexképződést.A CES és a PAA közötti hidrogénkötés főként a CES hidroxil-oxigénje és a PAA COOH csoportja között jön létre.A hidrogénkötés kialakulása után a vörös nyúlási csúcs az alacsony frekvencia irányába tolódik el.
A tiszta PAA-pornál 1710 cm-1 csúcsot figyeltünk meg.Amikor a poliakrilamidot különböző CE-vel rendelkező filmekké állítottuk össze, a HEC/PAA, MC/PAA és MPC/PAA filmek csúcsai 1718 cm-1, 1720 cm-1 és 1724 cm-1-nél helyezkedtek el.A tiszta PAA porral összehasonlítva a HPC/PAA, MC/PAA és HEC/PAA filmek csúcshossza 14, 10 és 8 cm-1-el eltolódott.Az éter-oxigén és a COOH közötti hidrogénkötés megszakítja a COOH-csoportok közötti hidrogénkötést.Minél több hidrogénkötés képződik PAA és CE között, annál nagyobb a CE/PAA csúcseltolódása az infravörös spektrumokban.A HPC rendelkezik a legmagasabb fokú hidrogénkötéssel, középen a PAA és MC, a legalacsonyabb a HEC.
PAA és CE kompozit filmek növekedési viselkedése:
A PAA és a CE-k filmképző viselkedését az LBL összeszerelés során QCM és spektrális interferometria segítségével vizsgáltuk.A QCM hatékony a film növekedésének in situ nyomon követésére az első néhány összeszerelési ciklus során.A spektrális interferométerek alkalmasak 10 cikluson keresztül termesztett filmekhez.
A HEC/PAA film lineáris növekedést mutatott az LBL összeszerelési folyamat során, míg az MC/PAA és a HPC/PAA filmek exponenciális növekedést mutattak az összeszerelés korai szakaszában, majd lineáris növekedéssé alakultak át.A lineáris növekedési tartományban minél magasabb a komplexképződés foka, annál nagyobb az összeszerelési ciklusonkénti vastagságnövekedés.
Az oldat pH-jának hatása a film növekedésére:
Az oldat pH-értéke befolyásolja a hidrogénkötésű polimer kompozit film növekedését.Gyenge polielektrolitként a PAA ionizálódik és negatív töltésű lesz, ha az oldat pH-ja nő, ezáltal gátolja a hidrogénkötés asszociációját.Amikor a PAA ionizációs foka elért egy bizonyos szintet, a PAA nem tudott filmet alkotni az LBL-ben hidrogénkötés akceptorokkal.
A filmvastagság az oldat pH-jának növekedésével csökkent, a filmvastagság pedig hirtelen csökkent pH 2,5 HPC/PAA és pH 3,0-3,5 HPC/PAA mellett.A HPC/PAA kritikus pontja körülbelül pH 3,5, míg a HEC/PAA körülbelül 3,0.Ez azt jelenti, hogy ha az összeszerelő oldat pH-ja 3,5-nél magasabb, akkor a HPC/PAA film nem képződik, ha pedig az oldat pH-ja 3,0-nál magasabb, akkor a HEC/PAA film nem képződik.A HPC/PAA membrán magasabb fokú hidrogénkötéses komplexációja miatt a HPC/PAA membrán kritikus pH értéke magasabb, mint a HEC/PAA membráné.Sómentes oldatban a HEC/PAA, MC/PAA és HPC/PAA komplexek kritikus pH értéke 2,9, 3,2 és 3,7 körül volt.A HPC/PAA kritikus pH-ja magasabb, mint a HEC/PAA-é, ami összhangban van az LBL membránéval.
A CE/PAA membrán vízelnyelő teljesítménye:
A CES gazdag hidroxilcsoportokban, így jó vízfelvevő képességgel és vízvisszatartással rendelkezik.Példaként a HEC/PAA membránnal vizsgáltuk a hidrogénkötésű CE/PAA membrán vízhez való adszorpciós képességét a környezetben.A spektrális interferometria jellemzi, hogy a filmréteg vastagsága nő, ahogy a film elnyeli a vizet.Állítható páratartalmú környezetbe helyeztük 25 °C-on 24 órára, hogy elérjük a vízfelvételi egyensúlyt.A filmeket vákuumkemencében (40 °C) 24 órán át szárítottuk, hogy teljesen eltávolítsuk a nedvességet.
A páratartalom növekedésével a film megvastagodik.Az alacsony páratartalmú, 30%-50%-os területen a vastagságnövekedés viszonylag lassú.Ha a páratartalom meghaladja az 50%-ot, a vastagság gyorsan növekszik.A hidrogénkötésű PVPON/PAA membránhoz képest a HEC/PAA membrán több vizet képes felszívni a környezetből.70%-os (25°C) relatív páratartalom mellett a PVPON/PAA fólia vastagsági tartománya körülbelül 4%, míg a HEC/PAA fóliaé körülbelül 18%.Az eredmények azt mutatták, hogy bár a HEC/PAA rendszerben bizonyos mennyiségű OH csoport részt vett a hidrogénkötések kialakításában, mégis jelentős számú OH csoport lép kölcsönhatásba vízzel a környezetben.Ezért a HEC/PAA rendszer jó vízelnyelő tulajdonságokkal rendelkezik.
Következtetésképpen
(1) A CE és PAA legmagasabb hidrogénkötési fokával rendelkező HPC/PAA rendszer növekedése a leggyorsabb, az MC/PAA a középmezőnyben, a HEC/PAA pedig a legalacsonyabb.
(2) A HEC/PAA film lineáris növekedési módot mutatott az előkészítési folyamat során, míg a másik két film, az MC/PAA és a HPC/PAA exponenciális növekedést mutatott az első néhány ciklusban, majd lineáris növekedési módba alakult át.
(3) A CE/PAA film növekedése erősen függ az oldat pH-jától.Ha az oldat pH-ja magasabb, mint a kritikus pontja, a PAA és a CE nem tud filmet alkotni.Az összeszerelt CE/PAA membrán magas pH-jú oldatokban oldódott.
(4) Mivel a CE/PAA film OH-ban és COOH-ban gazdag, a hőkezelés térhálósítja.A térhálósított CE/PAA membrán jó stabilitású, és nem oldódik magas pH-jú oldatokban.
(5) A CE/PAA fólia jó adszorpciós képességgel rendelkezik a környezetben lévő víz számára.
Feladás időpontja: 2023.02.18