Forskningsbaggrund
Som en naturlig, rigelig og vedvarende ressource møder cellulose store udfordringer i praktiske anvendelser på grund af dets ikke-smeltende og begrænsede opløselighedsegenskaber. Den høje krystallinitet og hydrogenbindinger med høj densitet i cellulosestrukturen gør det forringet, men ikke smelter under besiddelsesprocessen og uopløselig i vand og de fleste organiske opløsningsmidler. Deres derivater produceres ved esterificering og æterificering af hydroxylgrupperne på anhydroglucose -enhederne i polymerkæden og vil udvise nogle forskellige egenskaber sammenlignet med naturlig cellulose. Etherificeringsreaktionen af cellulose kan generere mange vandopløselige celluloseethere, såsom methylcellulose (MC), hydroxyethylcellulose (HEC) og hydroxypropylcellulose (HPC), som er vidt brugt i mad, kosmetik, i farmaceutiske stoffer og medicin. Vandopløselig CE kan danne hydrogenbundne polymerer med polycarboxylsyrer og polyfenoler.
Lag-for-lags samling (LBL) er en effektiv metode til fremstilling af polymerkomposit tynde film. Følgende beskriver hovedsageligt LBL -samlingen af tre forskellige CE'er af HEC, MC og HPC med PAA, sammenligner deres samlingsadfærd og analyserer påvirkningen af substituenter på LBL -samling. Undersøg effekten af pH på filmtykkelse og de forskellige forskelle mellem pH på filmdannelse og opløsning og udvikle vandabsorptionsegenskaberne for CE/PAA.
Eksperimentelle materialer:
Polyacrylsyre (PAA, MW = 450.000). Viskositeten af 2WT.% Vandig opløsning af hydroxyethylcellulose (HEC) er 300 MPa · s, og graden af substitution er 2,5. Methylcellulose (MC, en 2 -vægt% vandig opløsning med en viskositet på 400 MPa · s og en grad af substitution på 1,8). Hydroxypropylcellulose (HPC, en 2 -vægt% vandig opløsning med en viskositet på 400 MPa · s og en grad af substitution på 2,5).
Filmforberedelse:
Fremstillet ved flydende krystallagsenhed på silicium ved 25 ° C. Behandlingsmetoden for diasmatrixen er som følger: blød i sur opløsning (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/vol) i 30 minutter, skyl derefter med deioniseret vand flere gange, indtil pH bliver neutral og til sidst tør med rent nitrogen. LBL -samling udføres ved hjælp af automatisk maskiner. Substratet blev skiftevis gennemvædet i CE -opløsning (0,2 mg/ml) og PAA -opløsning (0,2 mg/ml), hver opløsning blev gennemvædet i 4 minutter. Tre skylleplader på 1 minut hver i deioniseret vand blev udført mellem hver opløsning blød i blød for at fjerne løst fastgjort polymer. PH -værdierne for samlingsopløsningen og skylleopløsningen blev begge justeret til pH 2,0. De tilberedte film betegnes som (CE/PAA) N, hvor N betegner samlingscyklussen. (HEC/PAA) 40, (MC/PAA) 30 og (HPC/PAA) 30 var hovedsageligt forberedt.
Filmkarakterisering:
Næsten-normale reflektansspektre blev registreret og analyseret med Nanocalc-XR Ocean Optics, og tykkelsen af film, der blev afsat på silicium, blev målt. Med et tomt siliciumsubstrat som baggrund blev FT-IR-spektret af den tynde film på siliciumsubstratet opsamlet på et Nicolet 8700 infrarødt spektrometer.
Hydrogenbindingsinteraktioner mellem PAA og CES:
Samling af HEC, MC og HPC med PAA i LBL -film. De infrarøde spektre af HEC/PAA, MC/PAA og HPC/PAA er vist på figuren. De stærke IR -signaler af PAA og CES kan tydeligt observeres i IR -spektre for HEC/PAA, MC/PAA og HPC/PAA. FT-IR-spektroskopi kan analysere hydrogenbindingskompleksationen mellem PAA og CES ved at overvåge skiftet af karakteristiske absorptionsbånd. Hydrogenbindingen mellem CES og PAA forekommer hovedsageligt mellem hydroxyloxygenet fra CES og COOH -gruppen af PAA. Efter at brintbindingen er dannet, skifter strækningstoppen røde røde til lavfrekvensretningen.
En top på 1710 cm-1 blev observeret for rent PAA-pulver. Da polyacrylamid blev samlet i film med forskellige CE'er, var toppe af HEC/PAA, MC/PAA og MPC/PAA-film placeret ved henholdsvis 1718 cm-1, 1720 cm-1 og 1724 cm-1. Sammenlignet med rent PAA -pulver skiftede de højeste længder af HPC/PAA, MC/PAA og HEC/PAA -film henholdsvis 14, 10 og 8 cm - 1. Hydrogenbindingen mellem ether -ilt og COOH afbryder brintbindingen mellem COOH -grupperne. Jo mere hydrogenbindinger dannet mellem PAA og CE, jo større er den højeste forskydning af CE/PAA i IR -spektre. HPC har den højeste grad af brintbindingskompleksation, PAA og MC er i midten, og HEC er den laveste.
Vækstadfærd af sammensatte film af PAA og CES:
Den filmdannende opførsel af PAA og CES under LBL-samling blev undersøgt under anvendelse af QCM og spektral interferometri. QCM er effektiv til overvågning af filmvækst in situ i de første par samlingscyklusser. Spektrale interferometre er egnede til film dyrket over 10 cyklusser.
HEC/PAA -filmen viste en lineær vækst gennem LBL -samlingsprocessen, mens MC/PAA- og HPC/PAA -filmene viste en eksponentiel vækst i de tidlige faser af samlingen og derefter omdannes til en lineær vækst. I det lineære vækstområde, jo højere kompleksationsgrad, jo større er tykkelsesvæksten pr. Monteringscyklus.
Effekt af opløsning pH på filmvækst:
PH -værdien af opløsningen påvirker væksten af den hydrogenbundede polymerkompositfilm. Som en svag polyelektrolyt vil PAA ioniseret og negativt ladet, når pH -værdien for opløsningen øges, hvilket hæmmer hydrogenbindingsforeningen. Når graden af ionisering af PAA nåede et vist niveau, kunne PAA ikke samles i en film med brintbindingsacceptorer i LBL.
Filmtykkelsen faldt med stigningen i opløsnings-pH, og filmtykkelsen faldt pludselig ved Ph2,5 HPC/PAA og Ph3.0-3.5 HPC/PAA. Det kritiske punkt med HPC/PAA er ca. pH 3,5, mens HEC/PAA er ca. 3,0. Dette betyder, at når pH i monteringsløsningen er højere end 3,5, kan HPC/PAA -filmen ikke dannes, og når pH -værdien er højere end 3,0, kan HEC/PAA -filmen ikke dannes. På grund af den højere grad af brintbindingskompleksation af HPC/PAA -membran er den kritiske pH -værdi af HPC/PAA -membran højere end HEC/PAA -membranen. I saltfri opløsning var de kritiske pH-værdier for komplekserne dannet af HEC/PAA, MC/PAA og HPC/PAA henholdsvis ca. 2,9, 3,2 og 3,7. Den kritiske pH for HPC/PAA er højere end HEC/PAA, hvilket er i overensstemmelse med LBL -membranen.
Vandabsorptionsydelse af CE/ PAA -membran:
CES er rig på hydroxylgrupper, så den har god vandabsorption og vandopbevaring. Ved at tage HEC/PAA-membran som et eksempel blev adsorptionskapaciteten af hydrogenbundet Ce/PAA-membran til vand i miljøet undersøgt. Karakteriseret ved spektral interferometri, øges filmtykkelsen, når filmen absorberer vand. Det blev anbragt i et miljø med justerbar fugtighed ved 25 ° C i 24 timer for at opnå vandabsorptionsbalance. Filmene blev tørret i en vakuumovn (40 ° C) i 24 timer for at fjerne fugtigheden fuldstændigt.
Når fugtigheden stiger, tykkes filmen. I området med lav luftfugtighed på 30%-50%er tykkelsesvæksten relativt langsom. Når fugtigheden overstiger 50%, vokser tykkelsen hurtigt. Sammenlignet med den hydrogenbundne PVPON/PAA-membran kan HEC/PAA-membranen absorbere mere vand fra miljøet. Under betingelsen af den relative fugtighed på 70%(25 ° C) er det fortykende interval af PVPON/PAA -film ca. 4%, mens HEC/PAA -film er så høj som ca. 18%. Resultaterne viste, at selv om en vis mængde OH -grupper i HEC/PAA -systemet deltog i dannelsen af brintbindinger, var der stadig et betydeligt antal OH -grupper, der interagerede med vand i miljøet. Derfor har HEC/PAA -systemet gode vandabsorptionsegenskaber.
Afslutningsvis
(1) HPC/PAA -systemet med den højeste hydrogenbindingsgrad af CE og PAA har den hurtigste vækst blandt dem, MC/PAA er i midten, og HEC/PAA er den laveste.
(2) HEC/PAA -filmen viste en lineær væksttilstand gennem forberedelsesprocessen, mens de to andre film MC/PAA og HPC/PAA viste en eksponentiel vækst i de første par cykler og derefter omdannes til en lineær væksttilstand.
(3) Væksten af CE/PAA -film har en stærk afhængighed af opløsningen pH. Når opløsnings -pH er højere end dets kritiske punkt, kan PAA og CE ikke samles i en film. Den samlede Ce/PAA -membran var opløselig i høje pH -opløsninger.
(4) Da CE/PAA-filmen er rig på OH og COOH, gør varmebehandling den tværbundet. Den tværbundne CE/PAA-membran har god stabilitet og er uopløselig i høje pH-opløsninger.
(5) CE/PAA -filmen har god adsorptionskapacitet til vand i miljøet.
Posttid: Feb-18-2023