સેલ્યુલોઝ ઈથર/પોલીએક્રીલિક એસિડ હાઇડ્રોજન બોન્ડિંગ ફિલ્મ

સંશોધન પૃષ્ઠભૂમિ

કુદરતી, વિપુલ પ્રમાણમાં અને નવીનીકરણીય સંસાધન તરીકે, સેલ્યુલોઝ તેના બિન-ગલન અને મર્યાદિત દ્રાવ્યતા ગુણધર્મોને કારણે વ્યવહારિક ઉપયોગમાં મોટા પડકારોનો સામનો કરે છે. સેલ્યુલોઝ માળખામાં ઉચ્ચ સ્ફટિકીયતા અને ઉચ્ચ-ઘનતા હાઇડ્રોજન બોન્ડ્સ તેને કબજા પ્રક્રિયા દરમિયાન ક્ષીણ કરે છે પરંતુ ઓગળે નહીં, અને પાણીમાં અને મોટાભાગના કાર્બનિક દ્રાવકોમાં અદ્રાવ્ય બનાવે છે. તેમના ડેરિવેટિવ્ઝ પોલિમર ચેઇનમાં એનહાઇડ્રોગ્લુકોઝ એકમો પર હાઇડ્રોક્સિલ જૂથોના એસ્ટરિફિકેશન અને ઇથરિફિકેશન દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે, અને કુદરતી સેલ્યુલોઝની તુલનામાં કેટલાક અલગ ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરશે. સેલ્યુલોઝની ઇથરિફિકેશન પ્રતિક્રિયા ઘણા પાણીમાં દ્રાવ્ય સેલ્યુલોઝ ઇથર્સ ઉત્પન્ન કરી શકે છે, જેમ કે મિથાઈલ સેલ્યુલોઝ (MC), હાઇડ્રોક્સિએથિલ સેલ્યુલોઝ (HEC) અને હાઇડ્રોક્સિપ્રોપીલ સેલ્યુલોઝ (HPC), જેનો વ્યાપકપણે ખોરાક, સૌંદર્ય પ્રસાધનો, ફાર્માસ્યુટિકલ્સ અને દવામાં ઉપયોગ થાય છે. પાણીમાં દ્રાવ્ય CE પોલીકાર્બોક્સિલિક એસિડ અને પોલીફેનોલ્સ સાથે હાઇડ્રોજન-બંધિત પોલિમર બનાવી શકે છે.

લેયર-બાય-લેયર એસેમ્બલી (LBL) એ પોલિમર કમ્પોઝિટ થિન ફિલ્મ્સ તૈયાર કરવા માટે એક અસરકારક પદ્ધતિ છે. નીચે મુખ્યત્વે PAA સાથે HEC, MC અને HPC ના ત્રણ અલગ અલગ CEs ના LBL એસેમ્બલીનું વર્ણન કરે છે, તેમના એસેમ્બલી વર્તનની તુલના કરે છે, અને LBL એસેમ્બલી પર અવેજીઓના પ્રભાવનું વિશ્લેષણ કરે છે. ફિલ્મની જાડાઈ પર pH ની અસર અને ફિલ્મ રચના અને વિસર્જન પર pH ના વિવિધ તફાવતોની તપાસ કરો, અને CE/PAA ના પાણી શોષણ ગુણધર્મો વિકસાવો.

પ્રાયોગિક સામગ્રી:

પોલિએક્રીલિક એસિડ (PAA, Mw = 450,000). હાઇડ્રોક્સાઇથિલસેલ્યુલોઝ (HEC) ના 2wt.% જલીય દ્રાવણની સ્નિગ્ધતા 300 mPa·s છે, અને અવેજીની ડિગ્રી 2.5 છે. મિથાઇલસેલ્યુલોઝ (MC, 400 mPa·s ની સ્નિગ્ધતા અને 1.8 ની અવેજીની ડિગ્રી સાથે 2wt.% જલીય દ્રાવણ). હાઇડ્રોક્સીપ્રોપીલ સેલ્યુલોઝ (HPC, 400 mPa·s ની સ્નિગ્ધતા અને 2.5 ની અવેજીની ડિગ્રી સાથે 2wt.% જલીય દ્રાવણ).

ફિલ્મ તૈયારી:

25°C તાપમાને સિલિકોન પર લિક્વિડ ક્રિસ્ટલ લેયર એસેમ્બલી દ્વારા તૈયાર કરવામાં આવે છે. સ્લાઇડ મેટ્રિક્સની સારવાર પદ્ધતિ નીચે મુજબ છે: એસિડિક દ્રાવણ (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) માં 30 મિનિટ માટે પલાળી રાખો, પછી pH તટસ્થ ન થાય ત્યાં સુધી ડીયોનાઇઝ્ડ પાણીથી ઘણી વખત કોગળા કરો, અને અંતે શુદ્ધ નાઇટ્રોજનથી સૂકવો. LBL એસેમ્બલી ઓટોમેટિક મશીનરીનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. સબસ્ટ્રેટને વૈકલ્પિક રીતે CE દ્રાવણ (0.2 mg/mL) અને PAA દ્રાવણ (0.2 mg/mL) માં પલાળીને રાખવામાં આવ્યું હતું, દરેક દ્રાવણને 4 મિનિટ માટે પલાળી રાખવામાં આવ્યું હતું. દરેક દ્રાવણ વચ્ચે 1 મિનિટના ત્રણ કોગળા સોક્સ કરવામાં આવ્યા હતા જેથી ઢીલી રીતે જોડાયેલ પોલિમર દૂર થાય. એસેમ્બલી સોલ્યુશન અને કોગળા સોલ્યુશનના pH મૂલ્યો બંનેને pH 2.0 માં સમાયોજિત કરવામાં આવ્યા હતા. તૈયાર કરેલી ફિલ્મોને (CE/PAA)n તરીકે દર્શાવવામાં આવી છે, જ્યાં n એસેમ્બલી ચક્ર દર્શાવે છે. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 અને (HPC/PAA)30 મુખ્યત્વે તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા.

ફિલ્મ પાત્રાલેખન:

નેનોકેલ્ક-એક્સઆર ઓશન ઓપ્ટિક્સ સાથે સામાન્ય પ્રતિબિંબ સ્પેક્ટ્રા રેકોર્ડ અને વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું, અને સિલિકોન પર જમા થયેલી ફિલ્મોની જાડાઈ માપવામાં આવી હતી. પૃષ્ઠભૂમિ તરીકે ખાલી સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ સાથે, સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર પાતળા ફિલ્મના FT-IR સ્પેક્ટ્રમને નિકોલેટ 8700 ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોમીટર પર એકત્રિત કરવામાં આવ્યો હતો.

PAA અને CE વચ્ચે હાઇડ્રોજન બોન્ડ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ:

PAA સાથે HEC, MC અને HPC નું LBL ફિલ્મોમાં એસેમ્બલી. HEC/PAA, MC/PAA અને HPC/PAA ના ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રા આકૃતિમાં બતાવવામાં આવ્યા છે. PAA અને CES ના મજબૂત IR સિગ્નલો HEC/PAA, MC/PAA અને HPC/PAA ના IR સ્પેક્ટ્રામાં સ્પષ્ટપણે જોઈ શકાય છે. FT-IR સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી લાક્ષણિક શોષણ બેન્ડના શિફ્ટનું નિરીક્ષણ કરીને PAA અને CES વચ્ચે હાઇડ્રોજન બોન્ડ જટિલતાનું વિશ્લેષણ કરી શકે છે. CES અને PAA વચ્ચે હાઇડ્રોજન બંધન મુખ્યત્વે CES ના હાઇડ્રોક્સિલ ઓક્સિજન અને PAA ના COOH જૂથ વચ્ચે થાય છે. હાઇડ્રોજન બંધન બન્યા પછી, સ્ટ્રેચિંગ પીક રેડ ઓછી આવર્તન દિશામાં શિફ્ટ થાય છે.

શુદ્ધ PAA પાવડર માટે 1710 cm-1 ની ટોચ જોવા મળી હતી. જ્યારે પોલિએક્રીલામાઇડને વિવિધ CE સાથે ફિલ્મોમાં એસેમ્બલ કરવામાં આવ્યું હતું, ત્યારે HEC/PAA, MC/PAA અને MPC/PAA ફિલ્મોના શિખરો અનુક્રમે 1718 cm-1, 1720 cm-1 અને 1724 cm-1 પર સ્થિત હતા. શુદ્ધ PAA પાવડરની તુલનામાં, HPC/PAA, MC/PAA અને HEC/PAA ફિલ્મોની ટોચ લંબાઈ અનુક્રમે 14, 10 અને 8 cm−1 દ્વારા ખસેડવામાં આવી હતી. ઈથર ઓક્સિજન અને COOH વચ્ચેનો હાઇડ્રોજન બોન્ડ COOH જૂથો વચ્ચેના હાઇડ્રોજન બોન્ડને વિક્ષેપિત કરે છે. PAA અને CE વચ્ચે જેટલા વધુ હાઇડ્રોજન બોન્ડ બને છે, IR સ્પેક્ટ્રામાં CE/PAA નું ટોચનું શિફ્ટ તેટલું વધારે હોય છે. HPC માં હાઇડ્રોજન બોન્ડ જટિલતાની સૌથી વધુ ડિગ્રી હોય છે, PAA અને MC મધ્યમાં હોય છે, અને HEC સૌથી ઓછું હોય છે.

PAA અને CEs ની સંયુક્ત ફિલ્મોનું વિકાસ વર્તન:

LBL એસેમ્બલી દરમિયાન PAA અને CEs ના ફિલ્મ-રચના વર્તનની તપાસ QCM અને સ્પેક્ટ્રલ ઇન્ટરફેરોમેટ્રીનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવી હતી. QCM પ્રથમ થોડા એસેમ્બલી ચક્ર દરમિયાન સિટુમાં ફિલ્મ વૃદ્ધિનું નિરીક્ષણ કરવા માટે અસરકારક છે. સ્પેક્ટ્રલ ઇન્ટરફેરોમીટર 10 ચક્રથી વધુ ઉગાડવામાં આવેલી ફિલ્મો માટે યોગ્ય છે.

LBL એસેમ્બલી પ્રક્રિયા દરમ્યાન HEC/PAA ફિલ્મમાં રેખીય વૃદ્ધિ જોવા મળી, જ્યારે MC/PAA અને HPC/PAA ફિલ્મમાં એસેમ્બલીના પ્રારંભિક તબક્કામાં ઘાતાંકીય વૃદ્ધિ જોવા મળી અને પછી તે રેખીય વૃદ્ધિમાં પરિવર્તિત થઈ. રેખીય વૃદ્ધિ ક્ષેત્રમાં, જટિલતાની ડિગ્રી જેટલી વધારે હશે, પ્રતિ એસેમ્બલી ચક્રમાં જાડાઈ વૃદ્ધિ એટલી જ વધારે હશે.

ફિલ્મ વૃદ્ધિ પર દ્રાવણ pH ની અસર:

દ્રાવણનું pH મૂલ્ય હાઇડ્રોજન બોન્ડેડ પોલિમર કમ્પોઝિટ ફિલ્મના વિકાસને અસર કરે છે. નબળા પોલીઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે, PAA આયનાઇઝ્ડ થશે અને દ્રાવણનું pH વધતાં નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થશે, જેનાથી હાઇડ્રોજન બોન્ડ જોડાણ અવરોધાય છે. જ્યારે PAA ના આયનાઇઝેશનની ડિગ્રી ચોક્કસ સ્તરે પહોંચી ગઈ, ત્યારે PAA LBL માં હાઇડ્રોજન બોન્ડ સ્વીકારનારાઓ સાથે ફિલ્મમાં એસેમ્બલ થઈ શક્યું નહીં.

દ્રાવણ pH વધવા સાથે ફિલ્મની જાડાઈમાં ઘટાડો થયો, અને pH2.5 HPC/PAA અને pH3.0-3.5 HPC/PAA પર ફિલ્મની જાડાઈ અચાનક ઘટી ગઈ. HPC/PAA નો ક્રિટિકલ પોઈન્ટ લગભગ pH 3.5 છે, જ્યારે HEC/PAA નો ક્રિટિકલ પોઈન્ટ લગભગ 3.0 છે. આનો અર્થ એ થયો કે જ્યારે એસેમ્બલી સોલ્યુશનનો pH 3.5 કરતા વધારે હોય છે, ત્યારે HPC/PAA ફિલ્મ બની શકતી નથી, અને જ્યારે દ્રાવણનો pH 3.0 કરતા વધારે હોય છે, ત્યારે HEC/PAA ફિલ્મ બની શકતી નથી. HPC/PAA મેમ્બ્રેનના હાઇડ્રોજન બોન્ડ કોમ્પ્લેક્સેશનની ઉચ્ચ ડિગ્રીને કારણે, HPC/PAA મેમ્બ્રેનનું ક્રિટિકલ pH મૂલ્ય HEC/PAA મેમ્બ્રેન કરતા વધારે હોય છે. મીઠું-મુક્ત દ્રાવણમાં, HEC/PAA, MC/PAA અને HPC/PAA દ્વારા રચાયેલા કોમ્પ્લેક્સના ક્રિટિકલ pH મૂલ્યો અનુક્રમે લગભગ 2.9, 3.2 અને 3.7 હતા. HPC/PAA નું નિર્ણાયક pH HEC/PAA કરતા વધારે છે, જે LBL પટલ સાથે સુસંગત છે.

CE/ PAA પટલનું પાણી શોષણ પ્રદર્શન:

CES હાઇડ્રોક્સિલ જૂથોથી સમૃદ્ધ છે જેથી તેમાં પાણીનું શોષણ અને પાણી જાળવી રાખવાનું સારું હોય છે. HEC/PAA પટલને ઉદાહરણ તરીકે લેતા, પર્યાવરણમાં હાઇડ્રોજન-બંધિત CE/PAA પટલની પાણીમાં શોષણ ક્ષમતાનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો. સ્પેક્ટ્રલ ઇન્ટરફેરોમેટ્રી દ્વારા લાક્ષણિકતા, ફિલ્મ પાણીને શોષી લેતાં ફિલ્મની જાડાઈ વધે છે. પાણી શોષણ સંતુલન પ્રાપ્ત કરવા માટે તેને 24 કલાક માટે 25°C પર એડજસ્ટેબલ ભેજવાળા વાતાવરણમાં મૂકવામાં આવ્યું હતું. ભેજને સંપૂર્ણપણે દૂર કરવા માટે ફિલ્મોને વેક્યૂમ ઓવન (40°C) માં 24 કલાક માટે સૂકવવામાં આવી હતી.

જેમ જેમ ભેજ વધે છે, તેમ તેમ ફિલ્મ જાડી થાય છે. 30%-50% ની ઓછી ભેજવાળા વિસ્તારમાં, જાડાઈનો વિકાસ પ્રમાણમાં ધીમો હોય છે. જ્યારે ભેજ 50% થી વધી જાય છે, ત્યારે જાડાઈ ઝડપથી વધે છે. હાઇડ્રોજન-બોન્ડેડ PVPON/PAA પટલની તુલનામાં, HEC/PAA પટલ પર્યાવરણમાંથી વધુ પાણી શોષી શકે છે. 70% (25°C) ની સાપેક્ષ ભેજની સ્થિતિમાં, PVPON/PAA ફિલ્મની જાડાઈ શ્રેણી લગભગ 4% છે, જ્યારે HEC/PAA ફિલ્મની જાડાઈ શ્રેણી લગભગ 18% જેટલી ઊંચી છે. પરિણામો દર્શાવે છે કે HEC/PAA સિસ્ટમમાં ચોક્કસ માત્રામાં OH જૂથોએ હાઇડ્રોજન બોન્ડની રચનામાં ભાગ લીધો હોવા છતાં, પર્યાવરણમાં પાણી સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા OH જૂથોની નોંધપાત્ર સંખ્યા હજુ પણ હતી. તેથી, HEC/PAA સિસ્ટમમાં પાણી શોષણના સારા ગુણધર્મો છે.

નિષ્કર્ષમાં

(1) CE અને PAA ની સૌથી વધુ હાઇડ્રોજન બંધન ડિગ્રી ધરાવતી HPC/PAA સિસ્ટમમાં સૌથી ઝડપી વૃદ્ધિ થાય છે, MC/PAA મધ્યમાં છે, અને HEC/PAA સૌથી ઓછું છે.

(2) HEC/PAA ફિલ્મે તૈયારી પ્રક્રિયા દરમ્યાન રેખીય વૃદ્ધિ મોડ દર્શાવ્યો હતો, જ્યારે અન્ય બે ફિલ્મો MC/PAA અને HPC/PAA એ પહેલા થોડા ચક્રોમાં ઘાતાંકીય વૃદ્ધિ દર્શાવી હતી, અને પછી રેખીય વૃદ્ધિ મોડમાં પરિવર્તિત થઈ હતી.

(૩) CE/PAA ફિલ્મનો વિકાસ દ્રાવણ pH પર મજબૂત આધાર રાખે છે. જ્યારે દ્રાવણ pH તેના નિર્ણાયક બિંદુ કરતા વધારે હોય છે, ત્યારે PAA અને CE ફિલ્મમાં ભેગા થઈ શકતા નથી. એસેમ્બલ થયેલ CE/PAA પટલ ઉચ્ચ pH દ્રાવણમાં દ્રાવ્ય હતું.

(૪) CE/PAA ફિલ્મ OH અને COOH થી ભરપૂર હોવાથી, ગરમીની સારવાર તેને ક્રોસ-લિંક્ડ બનાવે છે. ક્રોસ-લિંક્ડ CE/PAA પટલ સારી સ્થિરતા ધરાવે છે અને ઉચ્ચ pH દ્રાવણમાં અદ્રાવ્ય છે.

(૫) CE/PAA ફિલ્મ પર્યાવરણમાં પાણી માટે સારી શોષણ ક્ષમતા ધરાવે છે.