सेल्युलोज इथर/पॉलीअॅक्रेलिक अॅसिड हायड्रोजन बाँडिंग फिल्म

संशोधन पार्श्वभूमी

नैसर्गिक, मुबलक आणि अक्षय संसाधन म्हणून, सेल्युलोजला त्याच्या वितळणाऱ्या नसलेल्या आणि मर्यादित विद्राव्य गुणधर्मांमुळे व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये मोठ्या आव्हानांना तोंड द्यावे लागते. सेल्युलोज रचनेतील उच्च स्फटिकता आणि उच्च-घनता हायड्रोजन बंधांमुळे ते ताब्यात घेण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान खराब होते परंतु वितळत नाही आणि पाण्यात आणि बहुतेक सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्समध्ये अघुलनशील होते. त्यांचे डेरिव्हेटिव्ह्ज पॉलिमर साखळीतील एनहायड्रोग्लुकोज युनिट्सवरील हायड्रॉक्सिल गटांच्या एस्टरिफिकेशन आणि इथरिफिकेशनद्वारे तयार केले जातात आणि नैसर्गिक सेल्युलोजच्या तुलनेत काही वेगळे गुणधर्म प्रदर्शित करतील. सेल्युलोजची इथरिफिकेशन प्रतिक्रिया अनेक पाण्यात विरघळणारे सेल्युलोज इथर तयार करू शकते, जसे की मिथाइल सेल्युलोज (MC), हायड्रॉक्सीथिल सेल्युलोज (HEC) आणि हायड्रॉक्सीप्रोपाइल सेल्युलोज (HPC), जे अन्न, सौंदर्यप्रसाधनांमध्ये, औषधांमध्ये आणि औषधांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात. पाण्यात विरघळणारे CE पॉलीकार्बोक्झिलिक अॅसिड आणि पॉलीफेनॉलसह हायड्रोजन-बंधित पॉलिमर तयार करू शकते.

पॉलिमर कंपोझिट पातळ फिल्म तयार करण्यासाठी लेयर-बाय-लेयर असेंब्ली (LBL) ही एक प्रभावी पद्धत आहे. खालील मुख्यतः PAA सह HEC, MC आणि HPC च्या तीन वेगवेगळ्या CEs च्या LBL असेंब्लीचे वर्णन करते, त्यांच्या असेंब्ली वर्तनाची तुलना करते आणि LBL असेंब्लीवरील सबस्टिट्यूंट्सच्या प्रभावाचे विश्लेषण करते. फिल्म जाडीवर pH चा प्रभाव आणि फिल्म निर्मिती आणि विरघळण्यावर pH चे वेगवेगळे फरक तपासा आणि CE/PAA चे पाणी शोषण गुणधर्म विकसित करा.

प्रायोगिक साहित्य:

पॉलीअ‍ॅक्रेलिक आम्ल (PAA, Mw = 450,000). हायड्रॉक्सीइथिलसेल्युलोज (HEC) च्या 2wt.% जलीय द्रावणाची स्निग्धता 300 mPa·s आहे आणि प्रतिस्थापनाची डिग्री 2.5 आहे. मिथाइलसेल्युलोज (MC, 400 mPa·s च्या स्निग्धता आणि 1.8 च्या प्रतिस्थापनाची डिग्री असलेले 2wt.% जलीय द्रावण). हायड्रॉक्सीप्रोपिल सेल्युलोज (HPC, 400 mPa·s च्या स्निग्धता आणि 2.5 च्या प्रतिस्थापनाची डिग्री असलेले 2wt.% जलीय द्रावण).

चित्रपटाची तयारी:

२५°C तापमानावर सिलिकॉनवर लिक्विड क्रिस्टल लेयर असेंब्लीद्वारे तयार केले जाते. स्लाईड मॅट्रिक्सची उपचार पद्धत खालीलप्रमाणे आहे: अम्लीय द्रावणात (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) ३० मिनिटे भिजवा, नंतर pH तटस्थ होईपर्यंत अनेक वेळा विआयनीकृत पाण्याने धुवा आणि शेवटी शुद्ध नायट्रोजनने वाळवा. LBL असेंब्ली स्वयंचलित यंत्रसामग्री वापरून केली जाते. सब्सट्रेटला CE द्रावणात (0.2 mg/mL) आणि PAA द्रावणात (0.2 mg/mL) आळीपाळीने भिजवले गेले, प्रत्येक द्रावण ४ मिनिटे भिजवले गेले. सैल जोडलेले पॉलिमर काढून टाकण्यासाठी प्रत्येक द्रावणात विआयनीकृत पाण्यात प्रत्येकी १ मिनिटाचे तीन रिन्स सोक्स केले गेले. असेंब्ली सोल्यूशन आणि रिन्सिंग सोल्यूशनचे pH मूल्य दोन्ही pH 2.0 मध्ये समायोजित केले गेले. तयार केलेल्या फिल्म्सना (CE/PAA)n असे दर्शविले जाते, जिथे n असेंब्ली सायकल दर्शवते. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 आणि (HPC/PAA)30 प्रामुख्याने तयार केले गेले.

चित्रपट व्यक्तिचित्रण:

नॅनोकॅल्क-एक्सआर ओशन ऑप्टिक्स वापरून जवळजवळ सामान्य परावर्तन स्पेक्ट्रा रेकॉर्ड आणि विश्लेषण केले गेले आणि सिलिकॉनवर जमा झालेल्या फिल्म्सची जाडी मोजली गेली. पार्श्वभूमी म्हणून रिक्त सिलिकॉन सब्सट्रेटसह, सिलिकॉन सब्सट्रेटवरील पातळ फिल्मचा FT-IR स्पेक्ट्रम निकोलेट 8700 इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमीटरवर गोळा केला गेला.

पीएए आणि सीई मधील हायड्रोजन बाँड परस्परसंवाद:

HEC, MC आणि HPC चे PAA सह LBL फिल्म्समध्ये असेंब्ली. HEC/PAA, MC/PAA आणि HPC/PAA चे इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रा आकृतीमध्ये दाखवले आहेत. HEC/PAA, MC/PAA आणि HPC/PAA च्या IR स्पेक्ट्रामध्ये PAA आणि CES चे मजबूत IR सिग्नल स्पष्टपणे पाहिले जाऊ शकतात. FT-IR स्पेक्ट्रोस्कोपी वैशिष्ट्यपूर्ण शोषण बँडच्या शिफ्टचे निरीक्षण करून PAA आणि CES मधील हायड्रोजन बॉन्ड कॉम्प्लेक्सेशनचे विश्लेषण करू शकते. CES आणि PAA मधील हायड्रोजन बॉन्डिंग प्रामुख्याने CES च्या हायड्रॉक्सिल ऑक्सिजन आणि PAA च्या COOH ग्रुपमध्ये होते. हायड्रोजन बॉन्ड तयार झाल्यानंतर, स्ट्रेचिंग पीक रेड कमी फ्रिक्वेन्सी दिशेने सरकते.

शुद्ध PAA पावडरसाठी १७१० सेमी-१ चा शिखर आढळून आला. जेव्हा पॉलीअ‍ॅक्रिलामाइड वेगवेगळ्या CE असलेल्या फिल्म्समध्ये एकत्र केले गेले तेव्हा HEC/PAA, MC/PAA आणि MPC/PAA फिल्म्सची शिखर अनुक्रमे १७१८ सेमी-१, १७२० सेमी-१ आणि १७२४ सेमी-१ वर होती. शुद्ध PAA पावडरच्या तुलनेत, HPC/PAA, MC/PAA आणि HEC/PAA फिल्म्सची शिखर लांबी अनुक्रमे १४, १० आणि ८ सेमी-१ ने हलवली जाते. इथर ऑक्सिजन आणि COOH मधील हायड्रोजन बंध COOH गटांमधील हायड्रोजन बंधात व्यत्यय आणतो. PAA आणि CE मधील हायड्रोजन बंध जितके जास्त तयार होतात तितके IR स्पेक्ट्रामध्ये CE/PAA चे शिखर शिफ्ट जास्त असते. HPC मध्ये हायड्रोजन बंध कॉम्प्लेक्सेशनची सर्वाधिक डिग्री असते, PAA आणि MC मध्यभागी असतात आणि HEC सर्वात कमी असते.

पीएए आणि सीईच्या संमिश्र चित्रपटांचे वाढीचे वर्तन:

LBL असेंब्ली दरम्यान PAA आणि CEs च्या फिल्म-फॉर्मिंग वर्तनाची तपासणी QCM आणि स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमेट्री वापरून करण्यात आली. पहिल्या काही असेंब्ली सायकल दरम्यान सिटूमध्ये फिल्म वाढीचे निरीक्षण करण्यासाठी QCM प्रभावी आहे. स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमीटर 10 पेक्षा जास्त सायकल वाढवलेल्या फिल्मसाठी योग्य आहेत.

LBL असेंब्ली प्रक्रियेदरम्यान HEC/PAA फिल्मने रेषीय वाढ दर्शविली, तर MC/PAA आणि HPC/PAA फिल्मने असेंब्लीच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात घातांकीय वाढ दर्शविली आणि नंतर ती रेषीय वाढीमध्ये रूपांतरित झाली. रेषीय वाढीच्या क्षेत्रात, गुंतागुंतीची डिग्री जितकी जास्त असेल तितकी प्रत्येक असेंब्ली सायकलमध्ये जाडीची वाढ जास्त असेल.

द्रावणाच्या pH चा फिल्म वाढीवर होणारा परिणाम:

द्रावणाचे pH मूल्य हायड्रोजन बाँडेड पॉलिमर कंपोझिट फिल्मच्या वाढीवर परिणाम करते. कमकुवत पॉलीइलेक्ट्रोलाइट म्हणून, द्रावणाचा pH वाढल्याने PAA आयनीकृत होईल आणि नकारात्मक चार्ज होईल, ज्यामुळे हायड्रोजन बॉन्ड असोसिएशनला प्रतिबंध होईल. जेव्हा PAA च्या आयनीकरणाची डिग्री एका विशिष्ट पातळीवर पोहोचली, तेव्हा PAA LBL मध्ये हायड्रोजन बॉन्ड स्वीकारणाऱ्या फिल्ममध्ये एकत्र येऊ शकला नाही.

द्रावणाच्या pH वाढल्याने फिल्मची जाडी कमी झाली आणि pH2.5 HPC/PAA आणि pH3.0-3.5 HPC/PAA वर फिल्मची जाडी अचानक कमी झाली. HPC/PAA चा गंभीर बिंदू सुमारे pH 3.5 आहे, तर HEC/PAA चा सुमारे 3.0 आहे. याचा अर्थ असा की जेव्हा असेंब्ली द्रावणाचा pH 3.5 पेक्षा जास्त असतो तेव्हा HPC/PAA फिल्म तयार होऊ शकत नाही आणि जेव्हा द्रावणाचा pH 3.0 पेक्षा जास्त असतो तेव्हा HEC/PAA फिल्म तयार होऊ शकत नाही. HPC/PAA झिल्लीच्या हायड्रोजन बॉन्ड कॉम्प्लेक्सेशनच्या उच्च डिग्रीमुळे, HPC/PAA झिल्लीचे गंभीर pH मूल्य HEC/PAA झिल्लीपेक्षा जास्त असते. मीठ-मुक्त द्रावणात, HEC/PAA, MC/PAA आणि HPC/PAA द्वारे तयार केलेल्या कॉम्प्लेक्सचे गंभीर pH मूल्य अनुक्रमे सुमारे 2.9, 3.2 आणि 3.7 होते. HPC/PAA चा गंभीर pH HEC/PAA पेक्षा जास्त आहे, जो LBL पडद्याशी सुसंगत आहे.

CE/ PAA पडद्याची पाणी शोषण कार्यक्षमता:

CES मध्ये हायड्रॉक्सिल गट भरपूर प्रमाणात असतात त्यामुळे त्यात पाणी शोषण आणि पाणी धारणा चांगली असते. HEC/PAA पडद्याचे उदाहरण घेऊन, वातावरणातील हायड्रोजन-बंधित CE/PAA पडद्याची पाण्याशी शोषण क्षमता अभ्यासण्यात आली. स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमेट्री द्वारे वैशिष्ट्यीकृत, चित्रपट पाणी शोषून घेत असताना चित्रपटाची जाडी वाढते. पाणी शोषण समतोल साधण्यासाठी ते 24 तासांसाठी 25°C वर समायोज्य आर्द्रता असलेल्या वातावरणात ठेवण्यात आले. ओलावा पूर्णपणे काढून टाकण्यासाठी चित्रपटांना व्हॅक्यूम ओव्हन (40°C) मध्ये 24 तासांसाठी वाळवण्यात आले.

आर्द्रता वाढत असताना, थर जाड होतो. ३०%-५०% च्या कमी आर्द्रतेच्या क्षेत्रात, जाडीची वाढ तुलनेने मंद असते. जेव्हा आर्द्रता ५०% पेक्षा जास्त असते तेव्हा थर वेगाने वाढतो. हायड्रोजन-बंधित PVPON/PAA पडद्याच्या तुलनेत, HEC/PAA पडदा वातावरणातून जास्त पाणी शोषू शकतो. ७०% (२५°C) च्या सापेक्ष आर्द्रतेच्या स्थितीत, PVPON/PAA पडद्याची जाडीची श्रेणी सुमारे ४% असते, तर HEC/PAA फिल्मची जाडीची श्रेणी सुमारे १८% असते. निकालांवरून असे दिसून आले की जरी HEC/PAA प्रणालीमध्ये काही प्रमाणात OH गट हायड्रोजन बंधांच्या निर्मितीमध्ये सहभागी झाले असले तरी, वातावरणात पाण्याशी संवाद साधणारे OH गटांची संख्या अजूनही लक्षणीय होती. म्हणून, HEC/PAA प्रणालीमध्ये चांगले पाणी शोषण्याचे गुणधर्म आहेत.

शेवटी

(१) CE आणि PAA ची हायड्रोजन बाँडिंग डिग्री सर्वाधिक असलेल्या HPC/PAA प्रणालीमध्ये सर्वात जलद वाढ होते, MC/PAA मध्यभागी आहे आणि HEC/PAA सर्वात कमी आहे.

(२) HEC/PAA फिल्मने संपूर्ण तयारी प्रक्रियेत रेषीय वाढ मोड दाखवला, तर इतर दोन फिल्म MC/PAA आणि HPC/PAA मध्ये पहिल्या काही चक्रांमध्ये घातांकीय वाढ दिसून आली आणि नंतर ती रेषीय वाढ मोडमध्ये रूपांतरित झाली.

(३) CE/PAA फिल्मची वाढ ही द्रावणाच्या pH वर खूप अवलंबून असते. जेव्हा द्रावणाचा pH त्याच्या गंभीर बिंदूपेक्षा जास्त असतो, तेव्हा PAA आणि CE फिल्ममध्ये एकत्र होऊ शकत नाहीत. एकत्रित CE/PAA मेम्ब्रेन उच्च pH द्रावणात विरघळणारा होता.

(४) CE/PAA फिल्ममध्ये OH आणि COOH भरपूर असल्याने, उष्णता उपचारामुळे ते क्रॉस-लिंक्ड बनते. क्रॉस-लिंक्ड CE/PAA मेम्ब्रेनमध्ये चांगली स्थिरता असते आणि ते उच्च pH द्रावणात अघुलनशील असते.

(५) CE/PAA फिल्ममध्ये वातावरणातील पाण्याचे चांगले शोषण करण्याची क्षमता असते.