فیلم پیوند دهنده هیدروژن اتر/پلی آکریلیک سلولز اتر/پلی آکریلیک

پیش زمینه

به عنوان یک منبع طبیعی ، فراوان و تجدید پذیر ، سلولز به دلیل خاصیت حلالیت غیر ذوب و محدود ، با چالش های بزرگی در کاربردهای عملی روبرو می شود. تبلور بالا و پیوندهای هیدروژن با چگالی بالا در ساختار سلولز باعث می شود که در طی فرآیند مالکیت آن را تخریب کند اما ذوب نشود و در آب و بیشتر حلال های آلی نامحلول باشد. مشتقات آنها با استریزاسیون و اتریکاسیون گروههای هیدروکسیل در واحدهای انیدروگلوکوز در زنجیره پلیمر تولید می شود و برخی از خواص مختلف را در مقایسه با سلولز طبیعی نشان می دهد. واکنش اتریکاسیون سلولز می تواند بسیاری از اترهای سلولز محلول در آب ، مانند متیل سلولز (MC) ، هیدروکسی اتیل سلولز (HEC) و سلولز هیدروکسی پروپیل (HPC) ایجاد کند ، که به طور گسترده در مواد غذایی ، لوازم آرایشی ، در داروهای دارویی و دارو مورد استفاده قرار می گیرند. محلول در آب محلول در آب می تواند پلیمرهای پیوندی هیدروژن را با اسیدهای پلی کربوکسیلیک و پلی فنول ها تشکیل دهد.

مونتاژ لایه به لایه (LBL) یک روش مؤثر برای تهیه فیلم های نازک کامپوزیت پلیمری است. موارد زیر عمدتاً مونتاژ LBL از سه CES مختلف HEC ، MC و HPC را با PAA توصیف می کند ، رفتار مونتاژ آنها را مقایسه می کند و تأثیر جایگزین ها در مونتاژ LBL را تجزیه و تحلیل می کند. تأثیر pH بر ضخامت فیلم ، و تفاوت های مختلف pH در شکل گیری و انحلال فیلم را بررسی کرده و خصوصیات جذب آب CE/PAA را توسعه می دهد.

مواد تجربی:

اسید پلی آکریلیک (PAA ، MW = 450،000). ویسکوزیته 2wt. ٪ محلول آبی هیدروکسی اتیل سلولز (HEC) 300 مگاپاسکال است و میزان تعویض 2.5 است. متیل سلولز (MC ، یک محلول آبی 2wt. ٪ با ویسکوزیته 400 مگاپاسکال و درجه تعویض 1.8). هیدروکسی پروپیل سلولز (HPC ، یک محلول آبی 2wt. ٪ با ویسکوزیته 400 مگاپاسکال و درجه تعویض 2.5).

تهیه فیلم:

تهیه شده توسط مونتاژ لایه کریستال مایع روی سیلیکون در دمای 25 درجه سانتیگراد. روش درمانی ماتریس اسلاید به شرح زیر است: در محلول اسیدی (H2SO4/H2O2 ، 7/3VOL/VOL) به مدت 30 دقیقه خیس کنید ، سپس چندین بار با آب دیونیزه شده شستشو دهید تا pH خنثی شود و در نهایت با نیتروژن خالص خشک شود. مونتاژ LBL با استفاده از ماشین آلات اتوماتیک انجام می شود. بستر به طور متناوب در محلول CE (0.2 میلی گرم در میلی لیتر) و محلول PAA (0.2 میلی گرم در میلی لیتر) خیس شد ، هر محلول به مدت 4 دقیقه خیس شد. سه خیس شستشو 1 دقیقه در هر کدام در آب دیونیزه شده بین هر محلول خیس انجام شد تا پلیمر متصل به هم وصل شود. مقادیر pH محلول مونتاژ و محلول شستشو هر دو به pH 2.0 تنظیم شد. فیلم های آماده شده به عنوان (ce/paa) n مشخص می شوند ، جایی که n نشانگر چرخه مونتاژ است. (HEC/PAA) 40 ، (MC/PAA) 30 و (HPC/PAA) 30 به طور عمده تهیه شده بودند.

شخصیت پردازی فیلم:

طیفهای بازتاب تقریباً عادی با استفاده از نوری اقیانوس NanocalC-XR ثبت و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و ضخامت فیلم های سپرده شده روی سیلیکون اندازه گیری شد. با یک بستر سیلیکون خالی به عنوان پس زمینه ، طیف FT-IR فیلم نازک روی بستر سیلیکون بر روی طیف سنج مادون قرمز NICOLET 8700 جمع آوری شد.

فعل و انفعالات پیوند هیدروژن بین PAA و CES:

مونتاژ HEC ، MC و HPC با PAA در فیلم های LBL. طیف مادون قرمز HEC/PAA ، MC/PAA و HPC/PAA در شکل نشان داده شده است. سیگنال های IR قوی PAA و CES را می توان به وضوح در طیف IR HEC/PAA ، MC/PAA و HPC/PAA مشاهده کرد. طیف سنجی FT-IR می تواند با نظارت بر تغییر باندهای جذب مشخصه ، مجتمع پیوند هیدروژن بین PAA و CES را تجزیه و تحلیل کند. پیوند هیدروژن بین CES و PAA به طور عمده بین اکسیژن هیدروکسیل CES و گروه COOH PAA رخ می دهد. پس از تشکیل پیوند هیدروژن ، اوج کشش قرمز به سمت فرکانس پایین تغییر می کند.

قله 1710 سانتی متر 1 برای پودر PAA خالص مشاهده شد. هنگامی که پلی آکریل آمید در فیلم هایی با CES مختلف جمع شد ، قله های فیلم های HEC/PAA ، MC/PAA و MPC/PAA به ترتیب در 1718 cm-1 ، 1720 cm-1 و 1724 cm-1 قرار گرفتند. در مقایسه با پودر PAA خالص ، طول اوج HPC/PAA ، MC/PAA و HEC/PAA به ترتیب توسط 14 ، 10 و 8 cm -1 تغییر یافته است. پیوند هیدروژن بین اکسیژن اتر و COOH پیوند هیدروژن بین گروههای COOH را قطع می کند. هرچه پیوندهای هیدروژن بیشتر بین PAA و CE ایجاد شود ، تغییر اوج CE/PAA در طیف IR بیشتر است. HPC دارای بالاترین درجه مجتمع پیوند هیدروژن ، PAA و MC در وسط قرار دارند و HEC کمترین است.

رفتار رشد فیلم های کامپوزیت PAA و CES:

رفتار شکل گیری فیلم PAA و CES در طول مونتاژ LBL با استفاده از QCM و تداخل سنجی طیفی مورد بررسی قرار گرفت. QCM برای نظارت بر رشد فیلم درجا در چند چرخه مونتاژ اول مؤثر است. تداخل سنج طیفی برای فیلم های رشد یافته بیش از 10 چرخه مناسب است.

فیلم HEC/PAA رشد خطی را در طی فرآیند مونتاژ LBL نشان داد ، در حالی که فیلم های MC/PAA و HPC/PAA رشد نمایی را در مراحل اولیه مونتاژ نشان دادند و سپس به رشد خطی تبدیل شدند. در منطقه رشد خطی ، هرچه درجه مجتمع بیشتر باشد ، رشد ضخامت در هر چرخه مونتاژ بیشتر می شود.

تأثیر pH راه حل بر رشد فیلم:

مقدار pH محلول بر رشد فیلم کامپوزیت پلیمری پیوند شده هیدروژن تأثیر می گذارد. به عنوان یک پلی الکترولیت ضعیف ، PAA با افزایش pH محلول ، یونیزه می شود و منفی می شود و از این طریق باعث مهار ارتباط پیوند هیدروژن می شود. هنگامی که درجه یونیزاسیون PAA به سطح مشخصی رسید ، PAA نتوانست در فیلمی با پذیرندگان پیوند هیدروژن در LBL جمع شود.

ضخامت فیلم با افزایش pH محلول کاهش یافت و ضخامت فیلم به طور ناگهانی در PH2.5 HPC/PAA و PH3.0-3.5 HPC/PAA کاهش یافت. نقطه بحرانی HPC/PAA حدود pH 3.5 است ، در حالی که HEC/PAA حدود 3.0 است. این بدان معنی است که وقتی pH محلول مونتاژ از 3.5 بالاتر باشد ، فیلم HPC/PAA نمی تواند شکل بگیرد و وقتی pH محلول بالاتر از 3.0 باشد ، فیلم HEC/PAA شکل نمی گیرد. با توجه به درجه بالاتر مجتمع پیوند هیدروژن غشای HPC/PAA ، مقدار pH بحرانی غشای HPC/PAA بالاتر از غشای HEC/PAA است. در محلول بدون نمک ، مقادیر pH بحرانی مجتمع های تشکیل شده توسط HEC/PAA ، MC/PAA و HPC/PAA به ترتیب حدود 2.9 ، 3.2 و 3.7 بود. pH بحرانی HPC/PAA بالاتر از HEC/PAA است که با غشای LBL سازگار است.

عملکرد جذب آب غشای CE/ PAA:

CES سرشار از گروه های هیدروکسیل است به طوری که از جذب آب و احتباس آب خوبی برخوردار است. با استفاده از غشای HEC/PAA به عنوان نمونه ، ظرفیت جذب غشای CE/PAA با پیوند هیدروژن به آب در محیط مورد بررسی قرار گرفت. با تداخل سنجی طیفی مشخص می شود ، با جذب فیلم ، ضخامت فیلم افزایش می یابد. برای دستیابی به تعادل جذب آب در یک محیط با رطوبت قابل تنظیم در دمای 25 درجه سانتیگراد قرار گرفت. این فیلم ها به مدت 24 ساعت در اجاق خلاء (40 درجه سانتیگراد) خشک شدند تا رطوبت را به طور کامل از بین ببرند.

با افزایش رطوبت ، فیلم غلیظ می شود. در منطقه رطوبت کم 30 ٪ -50 ٪ ، رشد ضخامت نسبتاً کند است. هنگامی که رطوبت از 50 ٪ فراتر رود ، ضخامت به سرعت رشد می کند. در مقایسه با غشای PVPON/PAA با پیوند هیدروژن ، غشای HEC/PAA می تواند آب بیشتری را از محیط جذب کند. تحت شرایط رطوبت نسبی 70 ٪ (25 درجه سانتیگراد) ، دامنه ضخیم شدن فیلم PVPON/PAA حدود 4 ٪ است ، در حالی که فیلم HEC/PAA به اندازه 18 ٪ است. نتایج نشان داد که اگرچه مقدار مشخصی از گروه های OH در سیستم HEC/PAA در تشکیل پیوندهای هیدروژن شرکت کرده اند ، اما هنوز تعداد قابل توجهی از گروه های OH در تعامل با آب در محیط وجود دارد. بنابراین ، سیستم HEC/PAA خاصیت جذب آب خوبی دارد.

در نتیجه

(1) سیستم HPC/PAA با بالاترین درجه اتصال هیدروژن CE و PAA سریعترین رشد را در بین آنها دارد ، MC/PAA در وسط قرار دارد و HEC/PAA کمترین است.

(2) فیلم HEC/PAA در طی فرآیند آماده سازی حالت رشد خطی را نشان داد ، در حالی که دو فیلم دیگر MC/PAA و HPC/PAA رشد نمایی را در چند چرخه اول نشان دادند و سپس به حالت رشد خطی تبدیل شدند.

(3) رشد فیلم CE/PAA وابستگی شدیدی به pH محلول دارد. هنگامی که pH محلول از نقطه بحرانی آن بالاتر باشد ، PAA و CE نمی توانند در یک فیلم جمع شوند. غشای CE/PAA مونتاژ شده در محلول های pH بالا محلول بود.

(4) از آنجا که فیلم CE/PAA سرشار از OH و COOH است ، عملیات حرارتی باعث می شود که آن را به صورت متقابل مرتبط کند. غشای CE/PAA متقاطع دارای ثبات خوبی است و در محلول های pH بالا نامحلول است.

(5) فیلم CE/PAA ظرفیت جذب خوبی برای آب در محیط دارد.