सेल्यूलोज ईथर/पॉलीऐक्रेलिक एसिड हाइड्रोजन बॉन्डिंग फिल्म

अनुसंधान बैकग्राउंड

एक प्राकृतिक, प्रचुर और नवीकरणीय संसाधन के रूप में, सेल्यूलोज को इसके गैर-पिघलने और सीमित घुलनशीलता गुणों के कारण व्यावहारिक अनुप्रयोगों में बड़ी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। सेल्यूलोज संरचना में उच्च क्रिस्टलीयता और उच्च घनत्व वाले हाइड्रोजन बॉन्ड इसे खराब कर देते हैं लेकिन कब्जे की प्रक्रिया के दौरान पिघलते नहीं हैं, और पानी और अधिकांश कार्बनिक सॉल्वैंट्स में अघुलनशील होते हैं। उनके व्युत्पन्न बहुलक श्रृंखला में एनहाइड्रोग्लूकोज इकाइयों पर हाइड्रॉक्सिल समूहों के एस्टरीफिकेशन और ईथरीकरण द्वारा उत्पादित होते हैं, और प्राकृतिक सेल्यूलोज की तुलना में कुछ अलग गुण प्रदर्शित करेंगे। सेल्यूलोज की ईथरीकरण प्रतिक्रिया कई पानी में घुलनशील सेल्यूलोज ईथर उत्पन्न कर सकती है, जैसे मिथाइल सेल्यूलोज (एमसी), हाइड्रॉक्सीएथिल सेल्यूलोज (एचईसी) और हाइड्रॉक्सीप्रोपाइल सेल्यूलोज (एचपीसी), जिनका व्यापक रूप से भोजन, सौंदर्य प्रसाधन, फार्मास्यूटिकल्स और चिकित्सा में उपयोग किया जाता है। पानी में घुलनशील सीई पॉलीकार्बोक्सिलिक एसिड और पॉलीफेनोल के साथ हाइड्रोजन-बंधित पॉलिमर बना सकता है।

परत-दर-परत संयोजन (LBL) पॉलिमर मिश्रित पतली फ़िल्में तैयार करने के लिए एक प्रभावी विधि है। निम्नलिखित मुख्य रूप से HEC, MC और HPC के तीन अलग-अलग CE की PAA के साथ LBL संयोजन का वर्णन करता है, उनके संयोजन व्यवहार की तुलना करता है, और LBL संयोजन पर प्रतिस्थापन के प्रभाव का विश्लेषण करता है। फिल्म की मोटाई पर pH के प्रभाव और फिल्म निर्माण और विघटन पर pH के विभिन्न अंतरों की जाँच करें, और CE/PAA के जल अवशोषण गुणों को विकसित करें।

प्रायोगिक सामग्री:

पॉलीऐक्रेलिक एसिड (PAA, Mw = 450,000)। हाइड्रोक्सीएथिलसेलुलोज (HEC) के 2wt.% जलीय घोल की श्यानता 300 mPa·s है, तथा प्रतिस्थापन की डिग्री 2.5 है। मिथाइलसेलुलोज (MC, 400 mPa·s की श्यानता वाला 2wt.% जलीय घोल तथा 1.8 की प्रतिस्थापन की डिग्री)। हाइड्रोक्सीप्रोपाइल सेलुलोज (HPC, 400 mPa·s की श्यानता वाला 2wt.% जलीय घोल तथा 2.5 की प्रतिस्थापन की डिग्री)।

फिल्म की तैयारी:

25 डिग्री सेल्सियस पर सिलिकॉन पर लिक्विड क्रिस्टल लेयर असेंबली द्वारा तैयार किया गया। स्लाइड मैट्रिक्स की उपचार विधि इस प्रकार है: 30 मिनट के लिए अम्लीय घोल (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) में भिगोएँ, फिर pH उदासीन होने तक कई बार विआयनीकृत जल से धोएँ और अंत में शुद्ध नाइट्रोजन से सुखाएँ। LBL असेंबली स्वचालित मशीनरी का उपयोग करके की जाती है। सब्सट्रेट को बारी-बारी से CE घोल (0.2 mg/mL) और PAA घोल (0.2 mg/mL) में भिगोया गया, प्रत्येक घोल को 4 मिनट के लिए भिगोया गया। ढीले ढंग से जुड़े पॉलीमर को हटाने के लिए प्रत्येक घोल में भिगोने के बीच विआयनीकृत जल में 1 मिनट के तीन बार धोए गए। असेंबली घोल और रिंसिंग घोल दोनों के pH मान को pH 2.0 पर समायोजित किया गया। (एचईसी/पीएए)40, (एमसी/पीएए)30 और (एचपीसी/पीएए)30 मुख्य रूप से तैयार किये गये।

फ़िल्म चरित्र चित्रण:

निकट-सामान्य परावर्तन स्पेक्ट्रा को नैनोकैल्क-एक्सआर ओशन ऑप्टिक्स के साथ रिकॉर्ड और विश्लेषित किया गया, और सिलिकॉन पर जमा फिल्मों की मोटाई को मापा गया। पृष्ठभूमि के रूप में एक खाली सिलिकॉन सब्सट्रेट के साथ, सिलिकॉन सब्सट्रेट पर पतली फिल्म के FT-IR स्पेक्ट्रम को निकोलेट 8700 इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमीटर पर एकत्र किया गया था।

PAA और CEs के बीच हाइड्रोजन बंध अंतःक्रिया:

HEC, MC और HPC को PAA के साथ LBL फिल्मों में संयोजित करना। HEC/PAA, MC/PAA और HPC/PAA के अवरक्त स्पेक्ट्रा को चित्र में दिखाया गया है। PAA और CES के मजबूत IR संकेतों को HEC/PAA, MC/PAA और HPC/PAA के IR स्पेक्ट्रा में स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है। FT-IR स्पेक्ट्रोस्कोपी विशेषता अवशोषण बैंड के बदलाव की निगरानी करके PAA और CES के बीच हाइड्रोजन बॉन्ड कॉम्प्लेक्सेशन का विश्लेषण कर सकती है। CES और PAA के बीच हाइड्रोजन बॉन्डिंग मुख्य रूप से CES के हाइड्रॉक्सिल ऑक्सीजन और PAA के COOH समूह के बीच होती है। हाइड्रोजन बॉन्ड बनने के बाद, स्ट्रेचिंग पीक लाल कम आवृत्ति दिशा में शिफ्ट हो जाता है।

शुद्ध PAA पाउडर के लिए 1710 सेमी-1 का शिखर देखा गया। जब पॉलीएक्रिलामाइड को अलग-अलग CE के साथ फिल्मों में इकट्ठा किया गया, तो HEC/PAA, MC/PAA और MPC/PAA फिल्मों के शिखर क्रमशः 1718 सेमी-1, 1720 सेमी-1 और 1724 सेमी-1 पर स्थित थे। शुद्ध PAA पाउडर की तुलना में, HPC/PAA, MC/PAA और HEC/PAA फिल्मों की शिखर लंबाई क्रमशः 14, 10 और 8 सेमी−1 से स्थानांतरित हुई। ईथर ऑक्सीजन और COOH के बीच हाइड्रोजन बॉन्ड COOH समूहों के बीच हाइड्रोजन बॉन्ड को बाधित करता है। PAA और CE के बीच जितने अधिक हाइड्रोजन बॉन्ड बनते हैं, IR स्पेक्ट्रा में CE/PAA का शिखर शिफ्ट उतना ही अधिक होता है। HPC में हाइड्रोजन बॉन्ड कॉम्प्लेक्शन की उच्चतम डिग्री है, PAA और MC बीच में हैं, और HEC सबसे कम है।

पीएए और सीईएस की मिश्रित फिल्मों का विकास व्यवहार:

एलबीएल असेंबली के दौरान पीएए और सीई के फिल्म बनाने वाले व्यवहार की जांच क्यूसीएम और स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमेट्री का उपयोग करके की गई। क्यूसीएम पहले कुछ असेंबली चक्रों के दौरान फिल्म की वृद्धि की निगरानी के लिए प्रभावी है। स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमीटर 10 चक्रों में विकसित फिल्मों के लिए उपयुक्त हैं।

एचईसी/पीएए फिल्म ने एलबीएल असेंबली प्रक्रिया के दौरान रैखिक वृद्धि दिखाई, जबकि एमसी/पीएए और एचपीसी/पीएए फिल्मों ने असेंबली के शुरुआती चरणों में घातीय वृद्धि दिखाई और फिर रैखिक वृद्धि में बदल गई। रैखिक वृद्धि क्षेत्र में, जटिलता की डिग्री जितनी अधिक होगी, असेंबली चक्र के अनुसार मोटाई में वृद्धि उतनी ही अधिक होगी।

फिल्म वृद्धि पर विलयन pH का प्रभाव:

घोल का pH मान हाइड्रोजन बॉन्डेड पॉलीमर कम्पोजिट फिल्म की वृद्धि को प्रभावित करता है। एक कमजोर पॉलीइलेक्ट्रोलाइट के रूप में, PAA आयनित हो जाएगा और घोल के pH बढ़ने पर नकारात्मक रूप से चार्ज हो जाएगा, जिससे हाइड्रोजन बॉन्ड एसोसिएशन बाधित हो जाएगा। जब PAA के आयनीकरण की डिग्री एक निश्चित स्तर पर पहुंच गई, तो PAA LBL में हाइड्रोजन बॉन्ड स्वीकारकर्ताओं के साथ एक फिल्म में इकट्ठा नहीं हो सका।

घोल के पीएच के बढ़ने के साथ फिल्म की मोटाई कम हो गई, और पीएच 2.5 एचपीसी/पीएए और पीएच 3.0-3.5 एचपीसी/पीएए पर फिल्म की मोटाई अचानक कम हो गई। एचपीसी/पीएए का महत्वपूर्ण बिंदु लगभग पीएच 3.5 है, जबकि एचईसी/पीएए का लगभग 3.0 है। इसका मतलब यह है कि जब असेंबली घोल का पीएच 3.5 से अधिक होता है, तो एचपीसी/पीएए फिल्म नहीं बन सकती है, और जब घोल का पीएच 3.0 से अधिक होता है, तो एचईसी/पीएए फिल्म नहीं बन सकती है। एचपीसी/पीएए झिल्ली के हाइड्रोजन बॉन्ड कॉम्प्लेक्सेशन की उच्च डिग्री के कारण, एचपीसी/पीएए झिल्ली का महत्वपूर्ण पीएच मान एचईसी/पीएए झिल्ली की तुलना में अधिक है। नमक मुक्त घोल में, एचईसी/पीएए, एमसी/पीएए और एचपीसी/पीएए द्वारा गठित परिसरों के महत्वपूर्ण पीएच मान क्रमशः लगभग 2.9, 3.2 और 3.7 थे। एचपीसी/पीएए का महत्वपूर्ण पीएच एचईसी/पीएए की तुलना में अधिक है, जो एलबीएल झिल्ली के अनुरूप है।

सीई/पीएए झिल्ली का जल अवशोषण प्रदर्शन:

सीईएस हाइड्रॉक्सिल समूहों में समृद्ध है, इसलिए इसमें पानी का अवशोषण और पानी को बनाए रखने की अच्छी क्षमता है। एचईसी/पीएए झिल्ली को एक उदाहरण के रूप में लेते हुए, पर्यावरण में पानी के लिए हाइड्रोजन-बंधित सीई/पीएए झिल्ली की सोखने की क्षमता का अध्ययन किया गया। स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमेट्री द्वारा विशेषता, फिल्म की मोटाई पानी को अवशोषित करने के साथ बढ़ती है। इसे पानी के अवशोषण संतुलन को प्राप्त करने के लिए 24 घंटे के लिए 25 डिग्री सेल्सियस पर समायोज्य आर्द्रता वाले वातावरण में रखा गया था। नमी को पूरी तरह से हटाने के लिए फिल्मों को 24 घंटे के लिए वैक्यूम ओवन (40 डिग्री सेल्सियस) में सुखाया गया।

जैसे-जैसे आर्द्रता बढ़ती है, फिल्म मोटी होती जाती है। 30%-50% की कम आर्द्रता वाले क्षेत्र में, मोटाई की वृद्धि अपेक्षाकृत धीमी होती है। जब आर्द्रता 50% से अधिक हो जाती है, तो मोटाई तेजी से बढ़ती है। हाइड्रोजन-बंधित PVPON/PAA झिल्ली की तुलना में, HEC/PAA झिल्ली पर्यावरण से अधिक पानी को अवशोषित कर सकती है। 70% (25 डिग्री सेल्सियस) की सापेक्ष आर्द्रता की स्थिति में, PVPON/PAA फिल्म की मोटाई सीमा लगभग 4% है, जबकि HEC/PAA फिल्म की मोटाई सीमा लगभग 18% जितनी अधिक है। परिणामों से पता चला कि हालांकि HEC/PAA प्रणाली में OH समूहों की एक निश्चित मात्रा ने हाइड्रोजन बांड के निर्माण में भाग लिया, फिर भी पर्यावरण में पानी के साथ परस्पर क्रिया करने वाले OH समूहों की एक बड़ी संख्या थी। इसलिए, HEC/PAA प्रणाली में अच्छे जल अवशोषण गुण हैं।

निष्कर्ष के तौर पर

(1) सीई और पीएए की उच्चतम हाइड्रोजन बॉन्डिंग डिग्री वाले एचपीसी/पीएए सिस्टम में सबसे तेजी से वृद्धि हुई है, एमसी/पीएए बीच में है, और एचईसी/पीएए सबसे कम है।

(2) एचईसी/पीएए फिल्म ने तैयारी प्रक्रिया के दौरान एक रैखिक विकास मोड दिखाया, जबकि अन्य दो फिल्मों एमसी/पीएए और एचपीसी/पीएए ने पहले कुछ चक्रों में एक घातीय वृद्धि दिखाई, और फिर एक रैखिक विकास मोड में परिवर्तित हो गई।

(3) सीई/पीएए फिल्म की वृद्धि घोल के पीएच पर बहुत अधिक निर्भर करती है। जब घोल का पीएच उसके महत्वपूर्ण बिंदु से अधिक होता है, तो पीएए और सीई एक फिल्म में इकट्ठा नहीं हो सकते। एकत्रित सीई/पीएए झिल्ली उच्च पीएच वाले घोल में घुलनशील थी।

(4) चूँकि CE/PAA फिल्म OH और COOH से भरपूर होती है, इसलिए गर्मी उपचार इसे क्रॉस-लिंक्ड बनाता है। क्रॉस-लिंक्ड CE/PAA झिल्ली में अच्छी स्थिरता होती है और यह उच्च pH वाले घोल में अघुलनशील होती है।

(5) सीई/पीएए फिल्म में पर्यावरण में पानी के लिए अच्छी सोखने की क्षमता है।