ცელულოზა ეთერი/პოლიაკრილის მჟავა წყალბადის შემაკავშირებელი ფილმი

კვლევის ფონი

როგორც ბუნებრივი, უხვი და განახლებადი რესურსი, ცელულოზა შეხვდება დიდ გამოწვევებს პრაქტიკულ გამოყენებებში, მისი დნობის და შეზღუდული ხსნადობის თვისებების გამო. ცელულოზის სტრუქტურაში მაღალი კრისტალურობისა და მაღალი სიმკვრივის წყალბადის ობლიგაციები მას დეგრადირდება, მაგრამ არ დნება შენახვის პროცესში, ხოლო წყალში ხსნადი და ორგანული გამხსნელების უმეტესობა. მათი წარმოებულები წარმოიქმნება პოლიმერული ჯაჭვში ანჰიდროგლუკოზის ერთეულებზე ჰიდროქსილის ჯგუფების ეთერიფიკაციით და ეთერიფიკაციით და გამოავლენს რამდენიმე განსხვავებულ თვისებას ბუნებრივ ცელულოზთან შედარებით. ცელულოზის ეთერიფიკაციის რეაქციამ შეიძლება წარმოქმნას მრავალი ხსნადი ცელულოზის ეთერი, მაგალითად, მეთილის ცელულოზა (MC), ჰიდროქსიეთილის ცელულოზა (HEC) და ჰიდროქსიპროპილის ცელულოზა (HPC), რომლებიც ფართოდ გამოიყენება საკვებში, კოსმეტიკაში, ფარმაცევტებში და მედიცინაში. წყალში ხსნადი CE- ს შეუძლია შექმნას წყალბადის შემაერთებელი პოლიმერები პოლიკარბოქსილის მჟავებით და პოლიფენოლებით.

ფენის ფენის ასამბლეა (LBL) ეფექტური მეთოდია პოლიმერული კომპოზიციური თხელი ფილმების მოსამზადებლად. ქვემოთ მოცემულია ძირითადად LBL ასამბლეა HEC, MC და HPC სამი სხვადასხვა CES– ის PAA– სთან, ადარებს მათ ასამბლეის ქცევას და აანალიზებს შემცვლელების გავლენას LBL ასამბლეაზე. გამოიკვლიეთ pH– ის მოქმედება ფილმის სისქეზე და pH– ის სხვადასხვა განსხვავებები ფილმის ფორმირებასა და დაშლაზე და შეიმუშავეთ CE/PAA– ს წყლის შთანთქმის თვისებები.

ექსპერიმენტული მასალები:

პოლიაკრილის მჟავა (PAA, MW = 450,000). ჰიდროქსიეთილცელულოზის (HEC) 2 ვტ.% წყლის ხსნარი (HEC) არის 300 მპა ·, ხოლო ჩანაცვლების ხარისხი 2.5. მეთილკელულოზა (MC, 2 ვტ.% წყალხსნარი, რომელსაც აქვს სიბლანტე 400 MPa · და ჩანაცვლების ხარისხი 1.8). ჰიდროქსიპროპილის ცელულოზა (HPC, 2 ვტ.% წყალხსნარი, რომელსაც აქვს სიბლანტე 400 mPa · s და 2.5 ჩანაცვლების ხარისხი).

ფილმის მომზადება:

მომზადებულია თხევადი ბროლის ფენის ასამბლეის მიერ სილიკონზე 25 ° C ტემპერატურაზე. სლაიდების მატრიქსის მკურნალობის მეთოდი ასეთია: გაჟღენთილი მჟავე ხსნარში (H2SO4/H2O2, 7/3VOL/VOL) 30min- ზე, შემდეგ კი რამდენჯერმე ჩამოიბანეთ დეიონიზებული წყლით, სანამ pH გახდება ნეიტრალური, და საბოლოოდ მშრალი სუფთა აზოტით. LBL ასამბლეა ხორციელდება ავტომატური აპარატების გამოყენებით. სუბსტრატი მონაცვლეობით გაჟღენთილია CE ხსნარში (0.2 მგ/მლ) და PAA ხსნარში (0.2 მგ/მლ), თითოეული ხსნარი გაჟღენთილია 4 წუთის განმავლობაში. დეიონიზებულ წყალში თითოეულს 1 წუთის განმავლობაში ჩამოიბანეთ სამი გამონაყარი, თითოეულ ხსნარს შორის გაჟღენთილია, რომ ამოიღონ ფხვიერი მიმაგრებული პოლიმერი. ასამბლეის ხსნარის pH- ის მნიშვნელობები და გამრეცხვის ხსნარი ორივე კორექტირებულია pH 2.0 -ზე. მომზადებული ფილმები აღინიშნება როგორც (CE/PAA) N, სადაც n აღნიშნავს შეკრების ციკლს. (HEC/PAA) 40, (MC/PAA) 30 და (HPC/PAA) 30 ძირითადად მომზადდა.

ფილმის დახასიათება:

დაფიქსირდა და გაანალიზდა თითქმის ნორმალური რეფლექსიის სპექტრი ნანოკალკ-XR ოკეანის ოპტიკით, ხოლო გაზომეს სილიკონზე დეპონირებული ფილმების სისქე. ცარიელი სილიკონის სუბსტრატით, როგორც ფონი, სილიკონის სუბსტრატზე თხელი ფილმის FT-IR სპექტრი შეგროვდა Nicolet 8700 ინფრაწითელი სპექტრომეტრით.

წყალბადის ბონდის ურთიერთქმედება PAA- სა და CES- ს შორის:

HEC, MC და HPC– ის ასამბლეა PAA– ით LBL ფილმებში. HEC/PAA, MC/PAA და HPC/PAA ინფრაწითელი სპექტრი ნაჩვენებია ფიგურაში. PAA და CES– ის ძლიერი IR სიგნალები შეიძლება აშკარად შეინიშნოს HEC/PAA, MC/PAA და HPC/PAA– ს IR სპექტრში. FT-IR სპექტროსკოპიას შეუძლია გაანალიზოს წყალბადის კავშირის კომპლექსი PAA- სა და CES- ს შორის, დამახასიათებელი შთანთქმის ზოლების ცვლის მონიტორინგით. წყალბადის კავშირი CES- სა და PAA- ს შორის ძირითადად გვხვდება CES- ის ჰიდროქსილის ჟანგბადსა და PAA- ს COOH ჯგუფს შორის. წყალბადის ბონდის ჩამოყალიბების შემდეგ, გაჭიმვის მწვერვალი წითელი გადადის დაბალი სიხშირის მიმართულებით.

1710 CM-1 მწვერვალი დაფიქსირდა სუფთა PAA ფხვნილისთვის. როდესაც პოლიაკრილამიდი შეიკრიბა ფილმებში სხვადასხვა CES- ით, HEC/PAA, MC/PAA და MPC/PAA ფილმების მწვერვალები მდებარეობდა 1718 სმ -1, 1720 სმ -1 და 1724 სმ -1, შესაბამისად. სუფთა PAA ფხვნილთან შედარებით, HPC/PAA, MC/PAA და HEC/PAA ფილმების მწვერვალის სიგრძე, შესაბამისად, 14, 10 და 8 სმ - 1 -ით შეიცვალა. წყალბადის კავშირი ეთერის ჟანგბადსა და COOH- ს შორის წყვეტს წყალბადის კავშირს COOH ჯგუფებს შორის. რაც უფრო მეტი წყალბადის ობლიგაციები ჩამოყალიბდა PAA- სა და CE- ს შორის, მით უფრო დიდია CE/PAA- ს მწვერვალის ცვლა IR სპექტრებში. HPC- ს აქვს წყალბადის ობლიგაციების კომპლექსის უმაღლესი ხარისხი, PAA და MC შუაშია, ხოლო HEC ყველაზე დაბალი.

PAA და CES კომპოზიციური ფილმების ზრდის ქცევა:

LBL ასამბლეის დროს PAA და CES ფილმის ფორმირების ქცევა გამოიკვლიეს QCM და სპექტრული ინტერფერომეტრიის გამოყენებით. QCM ეფექტურია ფილმის ზრდის მონიტორინგისთვის ადგილზე პირველი რამდენიმე ასამბლეის ციკლის განმავლობაში. სპექტრული ინტერფერომეტრები შესაფერისია 10 ციკლისთვის გაზრდილი ფილმებისთვის.

HEC/PAA ფილმმა აჩვენა ხაზოვანი ზრდა LBL– ის შეკრების პროცესში, ხოლო MC/PAA და HPC/PAA ფილმებმა აჩვენა ექსპონენციალური ზრდა ასამბლეის ადრეულ ეტაპზე და შემდეგ გარდაიქმნა ხაზოვან ზრდაში. ხაზოვანი ზრდის რეგიონში, რაც უფრო მაღალია სირთულის ხარისხი, მით უფრო დიდია სისქის ზრდა შეკრების ციკლზე.

ხსნარის pH- ის ეფექტი ფილმის ზრდაზე:

ხსნარის pH- ის ღირებულება გავლენას ახდენს წყალბადის შემაერთებელი პოლიმერული კომპოზიციური ფილმის ზრდაზე. როგორც სუსტი პოლიელექტროლიტი, PAA იქნება იონიზებული და უარყოფითად დატვირთული, რადგან ხსნარის pH იზრდება, რითაც შეაჩერებს წყალბადის ობლიგაციების ასოციაციას. როდესაც PAA- ს იონიზაციის ხარისხი გარკვეულ დონეს მიაღწია, PAA ვერ შეიკრიბა ფილმში წყალბადის ბონდის მიმღებებით LBL- ში.

ფილმის სისქე შემცირდა ხსნარის pH- ის მატებით, ხოლო ფილმის სისქე მოულოდნელად შემცირდა ph2.5 hpc/paa და ph3.0-3.5 hpc/paa. HPC/PAA– ს კრიტიკული წერტილი დაახლოებით pH 3.5 -ს შეადგენს, ხოლო HEC/PAA– ს დაახლოებით 3.0. ეს ნიშნავს, რომ როდესაც ასამბლეის ხსნარის pH უფრო მაღალია, ვიდრე 3.5, HPC/PAA ფილმი შეუძლებელია, და როდესაც ხსნარის pH უფრო მაღალია, ვიდრე 3.0, HEC/PAA ფილმი არ შეიძლება ჩამოყალიბდეს. HPC/PAA მემბრანის წყალბადის ობლიგაციების უფრო მაღალი ხარისხის გამო, HPC/PAA მემბრანის კრიტიკული pH- ის კრიტიკული PH მნიშვნელობა უფრო მაღალია, ვიდრე HEC/PAA მემბრანა. მარილის გარეშე ხსნარში, HEC/PAA, MC/PAA და HPC/PAA მიერ წარმოქმნილი კომპლექსების კრიტიკული pH მნიშვნელობები იყო დაახლოებით 2.9, 3.2 და 3.7, შესაბამისად. HPC/PAA– ს კრიტიკული pH უფრო მაღალია, ვიდრე HEC/PAA, რაც შეესაბამება LBL მემბრანას.

CE/ PAA მემბრანის წყლის შთანთქმის შესრულება:

CES მდიდარია ჰიდროქსილის ჯგუფებით, ასე რომ მას აქვს კარგი წყლის შეწოვა და წყლის შეკავება. მაგალითად, HEC/PAA მემბრანის გათვალისწინებით, შეისწავლეს წყალბადის შემაერთებელი CE/PAA მემბრანის წყალში გარემოში შესწავლილი ადსორბციული მოცულობა. სპექტრული ინტერფერომეტრიით დამახასიათებელია, ფილმის სისქე იზრდება, რადგან ფილმი შთანთქავს წყალს. იგი მოთავსდა გარემოში რეგულირებადი ტენიანობით 25 ° C ტემპერატურაზე 24 საათის განმავლობაში, წყლის შთანთქმის წონასწორობის მისაღწევად. ფილმები გამხმარი იყო ვაკუუმის ღუმელში (40 ° C) 24 საათის განმავლობაში, რათა მთლიანად ამოიღონ ტენიანობა.

როგორც ტენიანობა იზრდება, ფილმი სქელდება. დაბალი ტენიანობის ფართობში 30%-50%, სისქის ზრდა შედარებით ნელია. როდესაც ტენიანობა აღემატება 50%-ს, სისქე სწრაფად იზრდება. წყალბადის შემაკავშირებელ PVPON/PAA მემბრანასთან შედარებით, HEC/PAA მემბრანას შეუძლია უფრო მეტი წყალი შეიწოვოს გარემოდან. 70%(25 ° C) ფარდობითი ტენიანობის პირობებში, PVPON/PAA ფილმის გასქელება დაახლოებით 4%-ს შეადგენს, ხოლო HEC/PAA ფილმის გადაღება ისეთივე მაღალია, როგორც დაახლოებით 18%. შედეგებმა აჩვენა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ HEC/PAA სისტემაში OH ჯგუფების გარკვეული რაოდენობა მონაწილეობდა წყალბადის ობლიგაციების წარმოქმნაში, ჯერ კიდევ იყო OH ჯგუფების მნიშვნელოვანი რაოდენობა, რომლებიც ურთიერთობდნენ გარემოში წყალთან. ამიტომ, HEC/PAA სისტემას აქვს წყლის შთანთქმის კარგი თვისებები.

დასკვნაში

(1) HPC/PAA სისტემას, რომელსაც აქვს ყველაზე მაღალი წყალბადის შემაკავშირებელი ხარისხი CE და PAA, მათ შორის ყველაზე სწრაფი ზრდაა, MC/PAA შუაშია, ხოლო HEC/PAA ყველაზე დაბალია.

(2) HEC/PAA ფილმმა აჩვენა ხაზოვანი ზრდის რეჟიმი მთელი მომზადების პროცესში, ხოლო დანარჩენმა ორმა ფილმმა MC/PAA და HPC/PAA აჩვენა ექსპონენციალური ზრდა პირველ ციკლში, შემდეგ კი გადაკეთდა ხაზოვანი ზრდის რეჟიმში.

(3) CE/PAA ფილმის ზრდას ძლიერი დამოკიდებულება აქვს ხსნარის pH- ზე. როდესაც გამოსავალი pH უფრო მაღალია, ვიდრე მისი კრიტიკული წერტილი, PAA და CE ვერ შეიკრიბებიან ფილმში. CE/PAA- ს შეკრებილი მემბრანა ხსნადია მაღალი pH ხსნარებით.

(4) იმის გამო, რომ CE/PAA ფილმი მდიდარია OH და COOH, სითბოს მკურნალობა მას ჯვარედინად აქცევს. CE/PAA მემბრანას აქვს კარგი სტაბილურობა და არის უხსნადი მაღალი pH ხსნარებში.

(5) CE/PAA ფილმს აქვს კარგი ადსორბციის უნარი გარემოში წყლისთვის.