研究の背景
自然で豊かで再生可能な資源として、セルロースは、その非溶融および限られた溶解性の特性により、実際のアプリケーションで大きな課題に遭遇します。セルロース構造の高結晶性と高密度の水素結合は、それを劣化させますが、所有プロセス中は溶けません。水とほとんどの有機溶媒に不溶性です。それらの誘導体は、ポリマー鎖のアンヒドログルコース単位上のヒドロキシル基のエステル化とエーテル化によって生成され、天然セルロースと比較していくつかの異なる特性を示します。セルロースのエーテル化反応は、メチルセルロース（MC）、ヒドロキシエチルセルロース（HEC）、ヒドロキシプロピルセルロース（HPC）などの多くの水溶性セルロースエーテルを生成できます。水溶性CEは、ポリカルボン酸とポリフェノールを伴う水素結合ポリマーを形成できます。
レイヤーバイレイヤーアセンブリ（LBL）は、ポリマー複合薄膜を準備するための効果的な方法です。以下は、主にPAAを使用したHEC、MCおよびHPCの3つの異なるCESのLBLアセンブリを説明し、アセンブリの動作を比較し、LBLアセンブリに対する置換基の影響を分析します。膜の厚さに対するpHの影響と、膜形成と溶解に対するpHの異なる違いを調査し、CE/PAAの吸水特性を発達させます。
実験資料：
ポリアクリル酸（PAA、MW = 450,000）。ヒドロキシエチルセルロース（HEC）の2wt。％水溶液の粘度は300 MPa・Sであり、置換度は2.5です。メチルセルロース（MC、粘度が400 MPa、1.8の程度の置換を伴う2wt。％水溶液）。ヒドロキシプロピルセルロース（HPC、粘度が400 MPa、2.5の程度の置換を伴う2wt。％水溶液）。
映画の準備：
25°Cでシリコン上の液晶層アセンブリによって調製されました。スライドマトリックスの処理方法は次のとおりです。30分間、酸性溶液（H2SO4/H2O2、7/3vol/vol）に浸し、その後、pHが中性になるまで脱イオン水で洗い流し、最終的に純粋なニトロゲンで乾燥します。 LBLアセンブリは、自動機械を使用して実行されます。基質をCE溶液（0.2 mg/ml）およびPAA溶液（0.2 mg/ml）に交互に浸し、各溶液を4分間浸しました。各溶液の間に脱イオン水にそれぞれ1分の3つのすすぎ浸漬を浸して、ゆるく付着したポリマーを除去しました。アセンブリ溶液のpH値とすすぎ溶液は両方ともpH 2.0に調整されました。準備されたフィルムは（CE/PAA）nとして示され、nはアセンブリサイクルを示します。 （HEC/PAA）40、（MC/PAA）30および（HPC/PAA）30が主に調製されました。
映画の特性評価：
ほぼ正常な反射スペクトルを記録し、Nanocalc-XR Ocean Opticsで分析し、シリコンに堆積したフィルムの厚さを測定しました。背景として空白のシリコン基板を使用して、シリコン基板上の薄膜のFT-IRスペクトルをニコレット8700赤外線分光計で収集しました。
PAAとCES間の水素結合相互作用：
LBLフィルムにPAAを含むHEC、MC、およびHPCのアセンブリ。 HEC/PAA、MC/PAAおよびHPC/PAAの赤外線スペクトルを図に示します。 PAAとCESの強力なIR信号は、HEC/PAA、MC/PAA、およびHPC/PAAのIRスペクトルで明確に観察できます。 FT-IR分光法は、特徴的な吸収帯のシフトを監視することにより、PAAとCES間の水素結合錯化を分析できます。 CESとPAAの間の水素結合は、主にCESのヒドロキシル酸素とPAAのCOOHグループの間で発生します。水素結合が形成された後、伸びるピークは低周波方向に赤くシフトします。
1710 cm-1のピークが純粋なPAA粉末で観察されました。ポリアクリルアミドが異なるCESのフィルムに組み立てられたとき、HEC/PAA、MC/PAA、およびMPC/PAAフィルムのピークは、それぞれ1718 cm-1、1720 cm-1、および1724 cm-1に配置されました。純粋なPAAパウダーと比較して、HPC/PAA、MC/PAA、およびHEC/PAAフィルムのピーク長はそれぞれ14、10、8 cm -1でシフトしました。エーテル酸素とCOOH間の水素結合は、COOH基間の水素結合を中断します。 PAAとCEの間に形成される水素結合が多いほど、IRスペクトルにおけるCE/PAAのピークシフトが大きくなります。 HPCは最も高い程度の水素結合錯体形成を持ち、PAAとMCは中央にあり、HECは最も低いです。
PAAとCESの複合フィルムの成長行動：
LBLアセンブリ中のPAAおよびCESのフィルム形成挙動は、QCMとスペクトル干渉法を使用して調査されました。 QCMは、最初の数回のアセンブリサイクル中の姿勢でフィルムの成長を監視するのに効果的です。スペクトル干渉計は、10サイクルで栽培されたフィルムに適しています。
HEC/PAAフィルムはLBLアセンブリプロセス全体で線形成長を示し、MC/PAAおよびHPC/PAAフィルムはアセンブリの初期段階で指数関数的な成長を示し、その後線形成長に変換されました。線形成長領域では、錯化の程度が高いほど、アセンブリサイクルあたりの厚さの成長が大きくなります。
フィルムの成長に対する溶液pHの効果：
溶液のpH値は、水素結合ポリマー複合膜の成長に影響します。弱い高分子電解質として、PAAはイオン化され、溶液のpHが増加するにつれて負に帯電し、水素結合関連を阻害します。 PAAのイオン化の程度が特定のレベルに達したとき、PAAはLBLの水素結合受容体を含むフィルムに組み立てることができませんでした。
溶液pHの増加とともにフィルムの厚さは減少し、膜の厚さはPh2.5 HPC/PAAおよびPH3.0-3.5 HPC/PAAで突然減少しました。 HPC/PAAの重要なポイントは約3.5で、HEC/PAAの重要な点は約3.0です。これは、アセンブリ溶液のpHが3.5を超える場合、HPC/PAAフィルムを形成できず、溶液のpHが3.0を超えると、HEC/PAAフィルムを形成できないことを意味します。 HPC/PAA膜の水素結合錯体の程度が高いため、HPC/PAA膜の臨界pH値はHEC/PAA膜の臨界pH値よりも高くなっています。塩を含まない溶液では、HEC/PAA、MC/PAAおよびHPC/PAAによって形成される複合体の臨界pH値は、それぞれ約2.9、3.2、3.7でした。 HPC/PAAの重要なpHは、LBL膜のそれと一致するHEC/PAAの臨界pHよりも高くなっています。
CE/ PAA膜の吸水性能：
CESにはヒドロキシル基が豊富であるため、吸水と水分保持が良好です。 HEC/PAA膜を例にとると、環境内の水素結合CE/PAA膜の吸着能力が研究されました。スペクトル干渉法を特徴とする、フィルムが水を吸収するとフィルムの厚さが増加します。吸水均衡を実現するために、25°Cで25°Cで24時間調整可能な環境に配置されました。フィルムを真空オーブン（40°C）で24時間乾燥させて、水分を完全に除去しました。
湿度が増加すると、フィルムは厚くなります。 30％〜50％の低湿度面積では、厚さの成長は比較的遅いです。湿度が50％を超えると、厚さは急速に増加します。水素結合PVPON/PAA膜と比較して、HEC/PAA膜は環境からより多くの水を吸収できます。 70％（25°C）の相対湿度の条件下では、PVPON/PAAフィルムの肥厚範囲は約4％ですが、HEC/PAAフィルムの肥厚帯は約18％です。結果は、HEC/PAAシステムの一定量のOHグループが水素結合の形成に関与しているが、環境内の水と相互作用するOHグループのかなりの数がまだあることを示した。したがって、HEC/PAAシステムには良好な吸水特性があります。
結論は
（1）CEとPAAの水素結合度が最も高いHPC/PAAシステムは、それらの中で最速の成長を遂げ、MC/PAAは中央にあり、HEC/PAAは最も低いです。
（2）HEC/PAAフィルムは準備プロセス全体で線形成長モードを示し、他の2つのフィルムMC/PAAとHPC/PAAは、最初の数サイクルで指数関数的成長を示し、その後線形成長モードに変換されました。
（3）CE/PAAフィルムの成長は、溶液pHに強く依存しています。溶液pHがその臨界点よりも高い場合、PAAとCEはフィルムに組み立てることができません。組み立てられたCE/PAA膜は、高pH溶液に可溶でした。
（4）CE/PAAフィルムはOHとCOOHが豊富であるため、熱処理により架橋されます。架橋CE/PAA膜は良好な安定性を持ち、高pH溶液に不溶です。
（5）CE/PAAフィルムは、環境内の水の吸着能力が良好です。
投稿時間：2月18日 - 2023年