सेल्युलोज ईथर/पोलीएक्रिलिक एसिड हाइड्रोजन बन्धन फिल्म

अनुसन्धान पृष्ठभूमि

प्राकृतिक, प्रचुर मात्रामा र नवीकरणीय स्रोतको रूपमा, सेल्युलोजले यसको गैर-पग्लने र सीमित घुलनशीलता गुणहरूको कारणले व्यावहारिक प्रयोगहरूमा ठूलो चुनौतीहरूको सामना गर्छ। सेल्युलोज संरचनामा उच्च क्रिस्टलिनिटी र उच्च-घनत्व हाइड्रोजन बन्धनहरूले यसलाई कब्जा प्रक्रियाको क्रममा पग्लन नदिने तर पानी र धेरैजसो जैविक विलायकहरूमा अघुलनशील बनाउँछ। तिनीहरूका डेरिभेटिभहरू पोलिमर चेनमा एनहाइड्रोग्लुकोज एकाइहरूमा हाइड्रोक्सिल समूहहरूको एस्टेरिफिकेशन र ईथरिफिकेशनद्वारा उत्पादन गरिन्छ, र प्राकृतिक सेल्युलोजको तुलनामा केही फरक गुणहरू प्रदर्शन गर्नेछन्। सेल्युलोजको ईथरिफिकेशन प्रतिक्रियाले धेरै पानीमा घुलनशील सेल्युलोज ईथरहरू उत्पन्न गर्न सक्छ, जस्तै मिथाइल सेल्युलोज (MC), हाइड्रोक्साइथाइल सेल्युलोज (HEC) र हाइड्रोक्साइप्रोपाइल सेल्युलोज (HPC), जुन खाना, सौन्दर्य प्रसाधन, औषधि र औषधिमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। पानीमा घुलनशील CE ले पोलिकार्बोक्सिलिक एसिड र पोलिफेनोलहरूसँग हाइड्रोजन-बन्धित पोलिमरहरू बनाउन सक्छ।

तह-दर-तह एसेम्बली (LBL) पोलिमर कम्पोजिट पातलो फिल्महरू तयार गर्ने प्रभावकारी विधि हो। निम्नले मुख्यतया PAA सँग HEC, MC र HPC का तीन फरक CEs को LBL एसेम्बलीको वर्णन गर्दछ, तिनीहरूको एसेम्बली व्यवहारको तुलना गर्दछ, र LBL एसेम्बलीमा प्रतिस्थापनहरूको प्रभावको विश्लेषण गर्दछ। फिल्म मोटाईमा pH को प्रभाव, र फिल्म गठन र विघटनमा pH को विभिन्न भिन्नताहरूको अनुसन्धान गर्नुहोस्, र CE/PAA को पानी अवशोषण गुणहरू विकास गर्नुहोस्।

प्रयोगात्मक सामग्रीहरू:

पोलिएक्रिलिक एसिड (PAA, Mw = 450,000)। हाइड्रोक्साइथाइलसेल्युलोज (HEC) को 2wt.% जलीय घोलको चिपचिपापन 300 mPa·s छ, र प्रतिस्थापनको डिग्री 2.5 छ। मिथाइलसेल्युलोज (MC, 400 mPa·s को चिपचिपापन र 1.8 को प्रतिस्थापनको डिग्री भएको 2wt.% जलीय घोल)। हाइड्रोक्सिप्रोपाइल सेल्युलोज (HPC, 400 mPa·s को चिपचिपापन र 2.5 को प्रतिस्थापनको डिग्री भएको 2wt.% जलीय घोल)।

चलचित्र तयारी:

२५°C मा सिलिकनमा तरल क्रिस्टल तह एसेम्बलीद्वारा तयार पारिएको। स्लाइड म्याट्रिक्सको उपचार विधि यस प्रकार छ: अम्लीय घोल (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) मा ३० मिनेटको लागि भिजाउनुहोस्, त्यसपछि pH तटस्थ नभएसम्म धेरै पटक विआयनीकृत पानीले कुल्ला गर्नुहोस्, र अन्तमा शुद्ध नाइट्रोजनले सुकाउनुहोस्। LBL एसेम्बली स्वचालित मेसिनरी प्रयोग गरेर गरिन्छ। सब्सट्रेटलाई वैकल्पिक रूपमा CE घोल (०.२ मिलीग्राम/एमएल) र PAA घोल (०.२ मिलीग्राम/एमएल) मा भिजाइएको थियो, प्रत्येक घोललाई ४ मिनेटको लागि भिजाइएको थियो। ढिलो रूपमा जोडिएको पोलिमर हटाउन प्रत्येक घोलको बीचमा विआयनीकृत पानीमा १ मिनेटको तीनवटा कुल्ला भिजाइएको थियो। एसेम्बली घोल र कुल्ला गर्ने घोलको pH मानहरू pH २.० मा समायोजन गरिएको थियो। तयार पारिएका फिल्महरूलाई (CE/PAA)n को रूपमा जनाइएको छ, जहाँ n ले एसेम्बली चक्रलाई जनाउँछ। (HEC/PAA)४०, (MC/PAA)३० र (HPC/PAA)३० मुख्यतया तयार पारिएको थियो।

चलचित्रको चरित्र चित्रण:

NanoCalc-XR Ocean Optics मार्फत लगभग सामान्य परावर्तन स्पेक्ट्रा रेकर्ड र विश्लेषण गरिएको थियो, र सिलिकनमा जम्मा गरिएको फिल्महरूको मोटाई मापन गरिएको थियो। पृष्ठभूमिको रूपमा खाली सिलिकन सब्सट्रेटको साथ, सिलिकन सब्सट्रेटमा रहेको पातलो फिल्मको FT-IR स्पेक्ट्रम निकोलेट 8700 इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमिटरमा सङ्कलन गरिएको थियो।

PAA र CE बीचको हाइड्रोजन बन्धन अन्तरक्रिया:

HEC, MC र HPC लाई PAA सँग LBL फिल्महरूमा जोड्ने। HEC/PAA, MC/PAA र HPC/PAA को इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रा चित्रमा देखाइएको छ। PAA र CES को बलियो IR संकेतहरू HEC/PAA, MC/PAA र HPC/PAA को IR स्पेक्ट्रामा स्पष्ट रूपमा अवलोकन गर्न सकिन्छ। FT-IR स्पेक्ट्रोस्कोपीले विशेषता अवशोषण ब्यान्डहरूको परिवर्तनको निगरानी गरेर PAA र CES बीचको हाइड्रोजन बन्धन जटिलताको विश्लेषण गर्न सक्छ। CES र PAA बीचको हाइड्रोजन बन्धन मुख्यतया CES को हाइड्रोक्सिल अक्सिजन र PAA को COOH समूह बीच हुन्छ। हाइड्रोजन बन्धन बनेपछि, स्ट्रेचिङ पीक रातो कम फ्रिक्वेन्सी दिशामा सर्छ।

शुद्ध PAA पाउडरको लागि १७१० सेमी-१ को शिखर अवलोकन गरिएको थियो। जब पोलीएक्रिलामाइडलाई विभिन्न CE भएका फिल्महरूमा भेला गरिएको थियो, HEC/PAA, MC/PAA र MPC/PAA फिल्महरूको शिखर क्रमशः १७१८ सेमी-१, १७२० सेमी-१ र १७२४ सेमी-१ मा अवस्थित थियो। शुद्ध PAA पाउडरको तुलनामा, HPC/PAA, MC/PAA र HEC/PAA फिल्महरूको शिखर लम्बाइ क्रमशः १४, १० र ८ सेमी−१ ले सारियो। ईथर अक्सिजन र COOH बीचको हाइड्रोजन बन्धनले COOH समूहहरू बीचको हाइड्रोजन बन्धनमा बाधा पुर्‍याउँछ। PAA र CE बीच जति धेरै हाइड्रोजन बन्धनहरू बन्छन्, IR स्पेक्ट्रामा CE/PAA को शिखर शिफ्ट त्यति नै बढी हुन्छ। HPC मा हाइड्रोजन बन्धन जटिलताको उच्चतम डिग्री हुन्छ, PAA र MC बीचमा हुन्छन्, र HEC सबैभन्दा कम हुन्छ।

PAA र CEs को कम्पोजिट फिल्महरूको वृद्धि व्यवहार:

LBL एसेम्बलीको समयमा PAA र CEs को फिल्म-बनाउने व्यवहार QCM र स्पेक्ट्रल इन्टरफेरोमेट्री प्रयोग गरेर अनुसन्धान गरिएको थियो। QCM पहिलो केही एसेम्बली चक्रहरूमा सिटुमा फिल्म वृद्धि निगरानी गर्न प्रभावकारी छ। स्पेक्ट्रल इन्टरफेरोमिटरहरू १० चक्रभन्दा बढी उब्जाइएका फिल्महरूको लागि उपयुक्त छन्।

LBL एसेम्बली प्रक्रियाभरि HEC/PAA फिल्मले रेखीय वृद्धि देखाएको थियो, जबकि MC/PAA र HPC/PAA फिल्महरूले एसेम्बलीको प्रारम्भिक चरणहरूमा घातीय वृद्धि देखाएको थियो र त्यसपछि रेखीय वृद्धिमा परिणत भएको थियो। रेखीय वृद्धि क्षेत्रमा, जटिलताको डिग्री जति उच्च हुन्छ, प्रति एसेम्बली चक्रमा मोटाई वृद्धि त्यति नै बढी हुन्छ।

फिल्म वृद्धिमा घोल pH को प्रभाव:

घोलको pH मानले हाइड्रोजन बन्डेड पोलिमर कम्पोजिट फिल्मको वृद्धिलाई असर गर्छ। कमजोर पोलिइलेक्ट्रोलाइटको रूपमा, PAA आयोनाइज्ड हुनेछ र घोलको pH बढ्दै जाँदा नकारात्मक रूपमा चार्ज हुनेछ, जसले गर्दा हाइड्रोजन बन्ड एसोसिएशनलाई रोक्छ। जब PAA को आयनीकरणको डिग्री निश्चित स्तरमा पुग्यो, PAA LBL मा हाइड्रोजन बन्ड स्वीकारकर्ताहरू भएको फिल्ममा भेला हुन सकेन।

घोलको pH बढेसँगै फिल्मको मोटाई घट्यो, र pH2.5 HPC/PAA र pH3.0-3.5 HPC/PAA मा फिल्मको मोटाई अचानक घट्यो। HPC/PAA को महत्वपूर्ण बिन्दु लगभग pH 3.5 छ, जबकि HEC/PAA को लगभग 3.0 छ। यसको मतलब जब एसेम्बली घोलको pH 3.5 भन्दा बढी हुन्छ, HPC/PAA फिल्म बन्न सक्दैन, र जब घोलको pH 3.0 भन्दा बढी हुन्छ, HEC/PAA फिल्म बन्न सक्दैन। HPC/PAA झिल्लीको हाइड्रोजन बन्ड जटिलताको उच्च डिग्रीको कारणले गर्दा, HPC/PAA झिल्लीको महत्वपूर्ण pH मान HEC/PAA झिल्लीको भन्दा बढी हुन्छ। नुन-रहित घोलमा, HEC/PAA, MC/PAA र HPC/PAA द्वारा बनाइएका कम्प्लेक्सहरूको महत्वपूर्ण pH मानहरू क्रमशः लगभग 2.9, 3.2 र 3.7 थिए। HPC/PAA को महत्वपूर्ण pH HEC/PAA भन्दा बढी छ, जुन LBL झिल्लीसँग मिल्दोजुल्दो छ।

CE/ PAA झिल्लीको पानी अवशोषण प्रदर्शन:

CES हाइड्रोक्सिल समूहहरूमा धनी छ त्यसैले यसमा राम्रो पानी अवशोषण र पानी अवधारण छ। उदाहरणको रूपमा HEC/PAA झिल्ली लिँदै, वातावरणमा हाइड्रोजन-बन्धित CE/PAA झिल्लीको पानीमा सोस्ने क्षमताको अध्ययन गरिएको थियो। स्पेक्ट्रल इन्टरफेरोमेट्री द्वारा विशेषता, फिल्मले पानी अवशोषित गर्दा फिल्मको मोटाई बढ्छ। पानी अवशोषण सन्तुलन प्राप्त गर्न यसलाई २४ घण्टाको लागि २५°C मा समायोज्य आर्द्रता भएको वातावरणमा राखिएको थियो। ओसिलोपन पूर्ण रूपमा हटाउन फिल्महरूलाई २४ घण्टाको लागि भ्याकुम ओभन (४०°C) मा सुकाइएको थियो।

आर्द्रता बढ्दै जाँदा, फिल्म बाक्लो हुँदै जान्छ। ३०%-५०% को कम आर्द्रता भएको क्षेत्रमा, मोटाईको वृद्धि अपेक्षाकृत ढिलो हुन्छ। जब आर्द्रता ५०% भन्दा बढी हुन्छ, मोटाई द्रुत गतिमा बढ्छ। हाइड्रोजन-बन्धित PVPON/PAA झिल्लीको तुलनामा, HEC/PAA झिल्लीले वातावरणबाट बढी पानी सोस्न सक्छ। ७०% (२५°C) को सापेक्षिक आर्द्रताको अवस्थामा, PVPON/PAA फिल्मको बाक्लो हुने दायरा लगभग ४% हुन्छ, जबकि HEC/PAA फिल्मको बाक्लो हुने दायरा लगभग १८% हुन्छ। परिणामहरूले देखाए कि HEC/PAA प्रणालीमा OH समूहहरूको एक निश्चित मात्राले हाइड्रोजन बन्धनको गठनमा भाग लिए पनि, वातावरणमा पानीसँग अन्तरक्रिया गर्ने OH समूहहरूको एक उल्लेखनीय संख्या अझै पनि थियो। त्यसकारण, HEC/PAA प्रणालीमा राम्रो पानी अवशोषण गुणहरू छन्।

निष्कर्षमा

(१) CE र PAA को उच्चतम हाइड्रोजन बन्धन डिग्री भएको HPC/PAA प्रणालीमा ती मध्ये सबैभन्दा छिटो वृद्धि हुन्छ, MC/PAA बीचमा छ, र HEC/PAA सबैभन्दा कम छ।

(२) HEC/PAA फिल्मले तयारी प्रक्रियाभरि रेखीय वृद्धि मोड देखाएको थियो, जबकि अन्य दुई फिल्महरू MC/PAA र HPC/PAA ले सुरुका केही चक्रहरूमा घातीय वृद्धि देखाएको थियो, र त्यसपछि रेखीय वृद्धि मोडमा रूपान्तरण गरिएको थियो।

(३) CE/PAA फिल्मको वृद्धि घोलको pH मा बलियो निर्भरता हुन्छ। जब घोलको pH यसको महत्वपूर्ण बिन्दु भन्दा उच्च हुन्छ, PAA र CE फिल्ममा जम्मा हुन सक्दैनन्। भेला गरिएको CE/PAA झिल्ली उच्च pH घोलमा घुलनशील थियो।

(४) CE/PAA फिल्म OH र COOH मा धनी भएकोले, ताप उपचारले यसलाई क्रस-लिङ्क गरिएको बनाउँछ। क्रस-लिङ्क गरिएको CE/PAA झिल्लीमा राम्रो स्थिरता हुन्छ र उच्च pH घोलहरूमा अघुलनशील हुन्छ।

(५) CE/PAA फिल्ममा वातावरणमा पानीको लागि राम्रो सोस्ने क्षमता हुन्छ।