Onderzoeksachtergrond
Als een natuurlijke, overvloedige en hernieuwbare hulpbron, komt cellulose grote uitdagingen tegen in praktische toepassingen vanwege de niet-smeltende en beperkte oplosbaarheidseigenschappen. De waterstofbruggen met hoge kristalliniteit en hoge dichtheid in de cellulosestructuur laten het afbreken maar niet smelten tijdens het bezitsproces, en onoplosbaar in water en de meeste organische oplosmiddelen. Hun derivaten worden geproduceerd door de verestering en etherificatie van de hydroxylgroepen op de anhydroglucose -eenheden in de polymeerketen en zullen enkele verschillende eigenschappen vertonen in vergelijking met natuurlijke cellulose. De etherificatiereactie van cellulose kan veel in water oplosbare cellulose-ethers genereren, zoals methylcellulose (MC), hydroxyethylcellulose (HEC) en hydroxypropylcellulose (HPC), die veel worden gebruikt in voedsel, cosmetica, in farmaceuticalen en geneeskunde. In water oplosbare CE kan waterstofgebonden polymeren vormen met polycarbonzuren en polyfenolen.
Layer-by-Layer Assembly (LBL) is een effectieve methode voor het bereiden van dunne films van polymeercomposiet. Het volgende beschrijft voornamelijk de LBL -assemblage van drie verschillende CES van HEC, MC en HPC met PAA, vergelijkt hun assemblagegedrag en analyseert de invloed van substituenten op LBL -assemblage. Onderzoek het effect van de pH op de filmdikte en de verschillende pH -verschillen op filmvorming en oplossing, en ontwikkel de waterabsorptie -eigenschappen van CE/PAA.
Experimentele materialen:
Polyacrylzuur (PAA, MW = 450.000). De viscositeit van 2wt.% Waterige oplossing van hydroxyethylcellulose (HEC) is 300 MPa · s, en de mate van substitutie is 2,5. Methylcellulose (MC, een 2WT.% Waterige oplossing met een viscositeit van 400 MPa · s en een mate van substitutie van 1,8). Hydroxypropylcellulose (HPC, een 2wt.% Waterige oplossing met een viscositeit van 400 MPa · s en een mate van substitutie van 2,5).
Filmvoorbereiding:
Bereid door vloeibare kristallaagsassemblage op silicium bij 25 ° C. De behandelingsmethode van de schuifmatrix is als volgt: weken in zure oplossing (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/Vol) gedurende 30 minuten en spoel vervolgens meerdere keren met gedeïoniseerd water totdat de pH neutraal wordt en uiteindelijk drogen met zuivere stikstof. LBL -assemblage wordt uitgevoerd met behulp van automatische machines. Het substraat werd afwisselend geweekt in CE -oplossing (0,2 mg/ml) en PAA -oplossing (0,2 mg/ml), elke oplossing werd 4 minuten geweekt. Drie spoelen weken van elk 1 minuut in gedeïoniseerd water werden uitgevoerd tussen elke oplossing om te weken om losjes bevestigd polymeer te verwijderen. De pH -waarden van de assemblageoplossing en de spoeloplossing werden beide aangepast aan pH 2,0. De as-voorbereide films worden aangeduid als (CE/PAA) N, waarbij N de assemblagecyclus aangeeft. (HEC/PAA) 40, (MC/PAA) 30 en (HPC/PAA) 30 werden voornamelijk voorbereid.
Filmkarakterisering:
Bijna-normale reflectiespectra werden opgenomen en geanalyseerd met nanocalc-XR oceaanoptiek, en de dikte van films afgezet op silicium werd gemeten. Met een leeg siliconensubstraat als achtergrond werd het FT-IR-spectrum van de dunne film op het siliconensubstraat verzameld op een Nicolet 8700 infraroodspectrometer.
Waterstofbinding interacties tussen PAA en CES:
Montage van HEC, MC en HPC met PAA in LBL -films. De infraroodspectra van HEC/PAA, MC/PAA en HPC/PAA worden in de figuur getoond. De sterke IR -signalen van PAA en CES kunnen duidelijk worden waargenomen in de IR -spectra van HEC/PAA, MC/PAA en HPC/PAA. FT-IR-spectroscopie kan de complexering van de waterstofbinding tussen PAA en CES analyseren door de verschuiving van karakteristieke absorptiebanden te volgen. De waterstofbinding tussen CES en PAA treedt voornamelijk voor tussen de hydroxylzuurstof van CES en de COOH -groep PAA. Nadat de waterstofbinding is gevormd, verschuift de rekpiekrode naar de lage frequentierichting.
Een piek van 1710 cm-1 werd waargenomen voor puur PAA-poeder. Toen polyacrylamide werd geassembleerd in films met verschillende CES, werden de pieken van HEC/PAA-, MC/PAA- en MPC/PAA-films gelegen op respectievelijk 1718 cm-1, 1720 cm-1 en 1724 cm-1. Vergeleken met puur PAA -poeder verschoof de pieklengtes van HPC/PAA-, MC/PAA- en HEC/PAA -films met respectievelijk 14, 10 en 8 cm - 1. De waterstofbinding tussen de etherzuurstof en COOH onderbreekt de waterstofbinding tussen de COOH -groepen. Hoe meer waterstofbindingen zich gevormd tussen PAA en CE, hoe groter de piekverschuiving van CE/PAA in IR -spectra. HPC heeft de hoogste mate van complexering van waterstofbruggen, PAA en MC zijn in het midden en HEC is de laagste.
Groeimedrag van samengestelde films van PAA en CES:
Het filmvormende gedrag van PAA en CES tijdens LBL-assemblage werd onderzocht met behulp van QCM en spectrale interferometrie. QCM is effectief voor het bewaken van filmgroei in situ tijdens de eerste paar assemblagecycli. Spectrale interferometers zijn geschikt voor films die over 10 cycli worden gekweekt.
De HEC/PAA -film vertoonde een lineaire groei tijdens het LBL -assemblageproces, terwijl de MC/PAA- en HPC/PAA -films een exponentiële groei vertoonden in de vroege stadia van de assemblage en vervolgens omgezet in een lineaire groei. In het lineaire groeimegebied, hoe hoger de mate van complexering, hoe groter de dikte groei per assemblagecyclus.
Effect van oplossing pH op filmgroei:
De pH -waarde van de oplossing beïnvloedt de groei van de composietfilm van de waterstofgebonden polymeercomposiet. Als een zwakke polyelektrolyt zal PAA worden geïoniseerd en negatief geladen naarmate de pH van de oplossing toeneemt, waardoor de associatie van waterstofbruggen wordt geremd. Toen de mate van ionisatie van PAA een bepaald niveau bereikte, kon PAA zich niet in een film met waterstofbinding acceptoren in LBL verzamelen.
De filmdikte nam af met de toename van de pH van de oplossing en de filmdikte nam plotseling af bij pH2,5 hpc/PAA en pH3,0-3,5 hpc/PAA. Het kritieke punt van HPC/PAA is ongeveer pH 3,5, terwijl dat van HEC/PAA ongeveer 3,0 is. Dit betekent dat wanneer de pH van de assemblageoplossing hoger is dan 3,5, de HPC/PAA -film niet kan worden gevormd, en wanneer de pH van de oplossing hoger is dan 3,0, kan de HEC/PAA -film niet worden gevormd. Vanwege de hogere mate van complexering van waterstofbruggen van HPC/PAA -membraan, is de kritische pH -waarde van HPC/PAA -membraan hoger dan die van HEC/PAA -membraan. In zoutvrije oplossing waren de kritieke pH-waarden van de complexen gevormd door HEC/PAA, MC/PAA en HPC/PAA respectievelijk ongeveer 2,9, 3,2 en 3,7. De kritische pH van HPC/PAA is hoger dan die van HEC/PAA, wat consistent is met die van LBL -membraan.
Waterabsorptieprestaties van CE/ PAA -membraan:
CES is rijk aan hydroxylgroepen, zodat het een goede waterabsorptie en waterretentie heeft. Het nemen van HEC/PAA-membraan als voorbeeld werd de adsorptiecapaciteit van waterstofgebonden CE/PAA-membraan naar water in de omgeving bestudeerd. Gekenmerkt door spectrale interferometrie, neemt de filmdikte toe naarmate de film water absorbeert. Het werd 24 uur in een omgeving met verstelbare vochtigheid bij 25 ° C geplaatst om waterabsorptie -evenwicht te bereiken. De films werden 24 uur gedroogd in een vacuümoven (40 ° C) om het vocht volledig te verwijderen.
Naarmate de luchtvochtigheid toeneemt, wordt de film dikker. In het gebied met lage luchtvochtigheid van 30%-50%is de diktegroei relatief langzaam. Wanneer de vochtigheid groter is dan 50%, groeit de dikte snel. Vergeleken met het waterstofgebonden PVPON/PAA-membraan, kan het HEC/PAA-membraan meer water uit de omgeving absorberen. Onder de toestand van de relatieve vochtigheid van 70%(25 ° C) is het verdikkingsbereik van PVPON/PAA -film ongeveer 4%, terwijl dat van HEC/PAA -film zo hoog is als ongeveer 18%. De resultaten toonden aan dat hoewel een bepaalde hoeveelheid OH -groepen in het HEC/PAA -systeem deelnamen aan de vorming van waterstofbindingen, er nog steeds een aanzienlijk aantal OH -groepen in interactie was met water in de omgeving. Daarom heeft het HEC/PAA -systeem goede eigenschappen van waterabsorptie.
conclusie
(1) Het HPC/PAA -systeem met de hoogste waterstofbindingsgraad van CE en PAA heeft de snelste groei onder hen, MC/PAA is in het midden en HEC/PAA is het laagst.
(2) De HEC/PAA -film vertoonde een lineaire groeimodus tijdens het preparaatproces, terwijl de andere twee films MC/PAA en HPC/PAA een exponentiële groei vertoonden in de eerste paar cycli en vervolgens veranderde in een lineaire groeimodus.
(3) De groei van CE/PAA -film heeft een sterke afhankelijkheid van de oplossing pH. Wanneer de pH van de oplossing hoger is dan zijn kritieke punt, kunnen PAA en CE zich niet in een film verzamelen. Het gemonteerde CE/PAA -membraan was oplosbaar in oplossingen met hoge pH.
(4) Omdat de CE/PAA-film rijk is aan OH en COOH, maakt warmtebehandeling het verknoopt. Het verknoopte CE/PAA-membraan heeft een goede stabiliteit en is onoplosbaar in oplossingen met hoge pH.
(5) De CE/PAA -film heeft een goede adsorptiecapaciteit voor water in het milieu.
Posttijd: 18-2023