Latar Belakang Penelitian
Sebagai sumber daya alam yang melimpah dan terbarukan, selulosa menghadapi tantangan besar dalam aplikasi praktis karena sifatnya yang tidak meleleh dan kelarutannya terbatas. Kristalinitas tinggi dan ikatan hidrogen dengan kepadatan tinggi dalam struktur selulosa membuatnya terdegradasi tetapi tidak meleleh selama proses kepemilikan, dan tidak larut dalam air dan sebagian besar pelarut organik. Turunannya diproduksi melalui esterifikasi dan eterifikasi gugus hidroksil pada unit anhidroglukosa dalam rantai polimer, dan akan menunjukkan beberapa sifat yang berbeda dibandingkan dengan selulosa alami. Reaksi eterifikasi selulosa dapat menghasilkan banyak eter selulosa yang larut dalam air, seperti metil selulosa (MC), hidroksi etil selulosa (HEC) dan hidroksipropil selulosa (HPC), yang banyak digunakan dalam makanan, kosmetik, farmasi dan obat-obatan. CE yang larut dalam air dapat membentuk polimer berikatan hidrogen dengan asam polikarboksilat dan polifenol.
Perakitan lapis demi lapis (LBL) merupakan metode yang efektif untuk menyiapkan lapisan tipis komposit polimer. Berikut ini terutama menjelaskan perakitan LBL dari tiga CE yang berbeda yaitu HEC, MC, dan HPC dengan PAA, membandingkan perilaku perakitannya, dan menganalisis pengaruh substituen pada perakitan LBL. Menyelidiki pengaruh pH pada ketebalan lapisan, dan perbedaan pH yang berbeda pada pembentukan dan pelarutan lapisan, dan mengembangkan sifat penyerapan air dari CE/PAA.
Bahan Percobaan:
Asam poliakrilat (PAA, Mw = 450.000). Viskositas larutan berair hidroksi etilselulosa (HEC) 2wt.% adalah 300 mPa·s, dan derajat substitusi adalah 2,5. Metilselulosa (MC, larutan berair 2wt.% dengan viskositas 400 mPa·s dan derajat substitusi 1,8). Hidroksipropil selulosa (HPC, larutan berair 2wt.% dengan viskositas 400 mPa·s dan derajat substitusi 2,5).
Persiapan film:
Disiapkan dengan perakitan lapisan kristal cair pada silikon pada suhu 25°C. Metode perawatan matriks slide adalah sebagai berikut: rendam dalam larutan asam (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) selama 30 menit, lalu bilas dengan air deionisasi beberapa kali hingga pH menjadi netral, dan akhirnya keringkan dengan nitrogen murni. Perakitan LBL dilakukan dengan menggunakan mesin otomatis. Substrat direndam secara bergantian dalam larutan CE (0,2 mg/mL) dan larutan PAA (0,2 mg/mL), setiap larutan direndam selama 4 menit. Tiga kali perendaman bilas masing-masing selama 1 menit dalam air deionisasi dilakukan di antara setiap perendaman larutan untuk menghilangkan polimer yang melekat longgar. Nilai pH larutan perakitan dan larutan pembilasan keduanya disesuaikan ke pH 2,0. Film yang disiapkan sebagaimana dimaksud dilambangkan sebagai (CE/PAA)n, di mana n menyatakan siklus perakitan. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 dan (HPC/PAA)30 sebagian besar disiapkan.
Karakterisasi Film:
Spektrum reflektansi mendekati normal direkam dan dianalisis dengan NanoCalc-XR Ocean Optics, dan ketebalan lapisan tipis yang diendapkan pada silikon diukur. Dengan substrat silikon kosong sebagai latar belakang, spektrum FT-IR dari lapisan tipis pada substrat silikon dikumpulkan pada spektrometer inframerah Nicolet 8700.
Interaksi ikatan hidrogen antara PAA dan CE:
Perakitan HEC, MC dan HPC dengan PAA menjadi film LBL. Spektrum inframerah HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA ditunjukkan pada gambar. Sinyal IR yang kuat dari PAA dan CES dapat diamati dengan jelas dalam spektrum IR HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA. Spektroskopi FT-IR dapat menganalisis kompleksasi ikatan hidrogen antara PAA dan CES dengan memantau pergeseran pita serapan karakteristik. Ikatan hidrogen antara CES dan PAA terutama terjadi antara oksigen hidroksil CES dan gugus COOH PAA. Setelah ikatan hidrogen terbentuk, puncak peregangan bergeser merah ke arah frekuensi rendah.
Puncak 1710 cm-1 diamati untuk bubuk PAA murni. Ketika poliakrilamida dirakit menjadi film dengan CE yang berbeda, puncak film HEC/PAA, MC/PAA dan MPC/PAA masing-masing terletak pada 1718 cm-1, 1720 cm-1 dan 1724 cm-1. Dibandingkan dengan bubuk PAA murni, panjang puncak film HPC/PAA, MC/PAA dan HEC/PAA bergeser masing-masing sebesar 14, 10 dan 8 cm−1. Ikatan hidrogen antara oksigen eter dan COOH memutus ikatan hidrogen antara gugus COOH. Semakin banyak ikatan hidrogen yang terbentuk antara PAA dan CE, semakin besar pergeseran puncak CE/PAA dalam spektrum IR. HPC memiliki tingkat kompleksasi ikatan hidrogen tertinggi, PAA dan MC berada di tengah, dan HEC adalah yang terendah.
Perilaku pertumbuhan film komposit PAA dan CE:
Perilaku pembentukan film PAA dan CE selama perakitan LBL diteliti menggunakan QCM dan interferometri spektral. QCM efektif untuk memantau pertumbuhan film in situ selama beberapa siklus perakitan pertama. Interferometer spektral cocok untuk film yang tumbuh selama 10 siklus.
Film HEC/PAA menunjukkan pertumbuhan linier selama proses perakitan LBL, sedangkan film MC/PAA dan HPC/PAA menunjukkan pertumbuhan eksponensial pada tahap awal perakitan dan kemudian berubah menjadi pertumbuhan linier. Di wilayah pertumbuhan linier, semakin tinggi tingkat kompleksitas, semakin besar pertumbuhan ketebalan per siklus perakitan.
Pengaruh pH larutan terhadap pertumbuhan film:
Nilai pH larutan memengaruhi pertumbuhan film komposit polimer berikatan hidrogen. Sebagai polielektrolit lemah, PAA akan terionisasi dan bermuatan negatif saat pH larutan meningkat, sehingga menghambat asosiasi ikatan hidrogen. Ketika derajat ionisasi PAA mencapai tingkat tertentu, PAA tidak dapat berkumpul menjadi film dengan akseptor ikatan hidrogen di LBL.
Ketebalan film menurun dengan peningkatan pH larutan, dan ketebalan film menurun tiba-tiba pada pH2,5 HPC/PAA dan pH3,0-3,5 HPC/PAA. Titik kritis HPC/PAA adalah sekitar pH 3,5, sedangkan HEC/PAA adalah sekitar 3,0. Ini berarti bahwa ketika pH larutan rakitan lebih tinggi dari 3,5, film HPC/PAA tidak dapat terbentuk, dan ketika pH larutan lebih tinggi dari 3,0, film HEC/PAA tidak dapat terbentuk. Karena tingkat kompleksasi ikatan hidrogen yang lebih tinggi dari membran HPC/PAA, nilai pH kritis membran HPC/PAA lebih tinggi daripada membran HEC/PAA. Dalam larutan bebas garam, nilai pH kritis kompleks yang dibentuk oleh HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA masing-masing sekitar 2,9, 3,2 dan 3,7. pH kritis HPC/PAA lebih tinggi daripada pH HEC/PAA, yang konsisten dengan pH membran LBL.
Kinerja penyerapan air membran CE/PAA:
CES kaya akan gugus hidroksil sehingga memiliki daya serap dan retensi air yang baik. Mengambil contoh membran HEC/PAA, kapasitas penyerapan membran CE/PAA berikatan hidrogen terhadap air di lingkungan dipelajari. Dicirikan oleh interferometri spektral, ketebalan film meningkat saat film menyerap air. Film ditempatkan di lingkungan dengan kelembapan yang dapat disesuaikan pada suhu 25°C selama 24 jam untuk mencapai keseimbangan penyerapan air. Film dikeringkan dalam oven vakum (40 °C) selama 24 jam untuk menghilangkan kelembapan sepenuhnya.
Saat kelembapan meningkat, film menebal. Di area kelembapan rendah 30%-50%, pertumbuhan ketebalan relatif lambat. Saat kelembapan melebihi 50%, ketebalan tumbuh cepat. Dibandingkan dengan membran PVPON/PAA berikatan hidrogen, membran HEC/PAA dapat menyerap lebih banyak air dari lingkungan. Di bawah kondisi kelembapan relatif 70% (25 °C), kisaran penebalan film PVPON/PAA sekitar 4%, sedangkan film HEC/PAA setinggi sekitar 18%. Hasil penelitian menunjukkan bahwa meskipun sejumlah gugus OH dalam sistem HEC/PAA berpartisipasi dalam pembentukan ikatan hidrogen, masih ada sejumlah besar gugus OH yang berinteraksi dengan air di lingkungan. Oleh karena itu, sistem HEC/PAA memiliki sifat penyerapan air yang baik.
sebagai kesimpulan
(1) Sistem HPC/PAA dengan derajat ikatan hidrogen tertinggi dari CE dan PAA mempunyai pertumbuhan paling cepat diantara keduanya, MC/PAA berada di tengah, dan HEC/PAA merupakan yang terendah.
(2) Film HEC/PAA menunjukkan mode pertumbuhan linier sepanjang proses persiapan, sedangkan dua film lainnya MC/PAA dan HPC/PAA menunjukkan pertumbuhan eksponensial dalam beberapa siklus pertama, dan kemudian berubah menjadi mode pertumbuhan linier.
(3) Pertumbuhan film CE/PAA sangat bergantung pada pH larutan. Ketika pH larutan lebih tinggi dari titik kritisnya, PAA dan CE tidak dapat berkumpul menjadi film. Membran CE/PAA yang telah dirakit dapat larut dalam larutan pH tinggi.
(4) Karena film CE/PAA kaya akan OH dan COOH, maka dilakukan proses pemanasan untuk membuatnya saling terikat. Membran CE/PAA yang saling terikat memiliki stabilitas yang baik dan tidak larut dalam larutan pH tinggi.
(5) Film CE/PAA memiliki kapasitas penyerapan yang baik terhadap air di lingkungan.
Waktu posting: 18-Feb-2023