Raziskovalno ozadje
Kot naravni, obilen in obnovljivi viri se celuloza srečuje z velikimi izzivi v praktičnih aplikacijah zaradi svojih nečiščenih in omejenih lastnosti topnosti. Visoka kristalnost in vodikove vezi visoke gostote v strukturi celuloze se razgrajujeta, vendar se med postopkom posesti ne stopi in netopna v vodi in večini organskih topil. Njihovi derivati nastajajo z esterifikacijo in eterifikacijo hidroksilnih skupin na enotah anhidroglukoze v polimerni verigi in bodo pokazali nekatere različne lastnosti v primerjavi z naravno celulozo. Eterifikacijska reakcija celuloze lahko ustvari veliko vodno topnih celuloznih etrov, kot so metil celuloza (MC), hidroksietilna celuloza (HEC) in hidroksipropil celuloza (HPC), ki se pogosto uporabljajo v hrani, kozmetiki, v farmacevtskih izdelkih in medicini. Vodno topni CE lahko tvori polimere, vezane na vodik, s polikarboksilnimi kislinami in polifenoli.
Sklop plasti za plast (LBL) je učinkovita metoda za pripravo polimernih kompozitnih tankih filmov. V nadaljevanju so v glavnem opisani sklop LBL treh različnih CES HEC, MC in HPC s PAA, primerja njihovo vedenje montaže in analizira vpliv substituentov na sklop LBL. Raziščite učinek pH na debelino filma in različne razlike pH na tvorbo in raztapljanje filma ter razvijte lastnosti absorpcije vode CE/PAA.
Eksperimentalni materiali:
Poliakrilna kislina (PAA, MW = 450.000). Viskoznost 2wt.% Vodne raztopine hidroksietilceluloze (HEC) je 300 MPa · s, stopnja substitucije pa 2,5. Metilceluloza (MC, 2 -odstotna vodna raztopina z viskoznostjo 400 MPa · s in stopnjo zamenjave 1,8). Hidroksipropilna celuloza (HPC, 2WT.% Vodna raztopina z viskoznostjo 400 MPa · s in stopnjo zamenjave 2,5).
Priprava filma:
Pripravljeno s sklopom tekočega kristalnega sloja na siliciju pri 25 ° C. Metoda zdravljenja drsnega matriksa je naslednja: namočite v kisle raztopino (H2SO4/H2O2, 7/3VOL/vol) za 30min, nato pa večkrat sperite z deionizirano vodo, dokler pH ne postane nevtralen, in na koncu suh s čistim dušikom. Sklop LBL se izvaja s pomočjo samodejnih strojev. Substrat smo izmenično namočili v raztopini CE (0,2 mg/ml) in raztopino PAA (0,2 mg/ml), vsako raztopino smo namočili 4 minute. Tri izpiranje 1 min v deionizirani vodi smo izvedli med vsako raztopino, da odstranimo ohlapno pritrjen polimer. Vrednosti pH raztopine sestavljanja in raztopine za izpiranje sta bili prilagojeni na pH 2,0. Pripravljeni filmi so označeni kot (CE/PAA) N, kjer N označuje cikel montaže. (HEC/PAA) 40, (MC/PAA) 30 in (HPC/PAA) 30 sta bila pripravljena predvsem.
Filmsko karakterizacija:
Skoraj normalni odbojni spektri so bili zabeleženi in analizirani z nanocalc-XR oceansko optiko, izmerili pa smo debelino filmov, odloženih na siliciju. S praznim silicijevim substratom kot ozadjem je bil na infrardečem spektrometru Nicolet 8700 zbran FT-IR spekter tankega filma na silicijevem substratu.
Interakcije vodikove vezi med PAA in CES:
Sestavljanje HEC, MC in HPC s PAA v filme LBL. Infrardeči spektri HEC/PAA, MC/PAA in HPC/PAA so prikazani na sliki. Močne IR signale PAA in CES lahko jasno opazimo v IR spektrih HEC/PAA, MC/PAA in HPC/PAA. FT-IR spektroskopija lahko analizira kompleksnost vodikove vezi med PAA in CES s spremljanjem premika značilnih absorpcijskih pasov. Vodikova vez med CES in PAA se v glavnem pojavlja med hidroksilnim kisikom CES in skupino COOH v PAA. Po nastajanju vodikove vezi se raztezajoča vrhova rdeča premakne v nizko frekvenčno smer.
Za čisti PAA v prahu so opazili vrh 1710 cm-1. Ko je bil poliakrilamid sestavljen v filme z različnimi CES, so bili vrhovi filmov HEC/PAA, MC/PAA in MPC/PAA nahajajo na 1718 cm-1, 1720 cm-1 in 1724 cm-1. V primerjavi s čistim PAA v prahu so se dolžine vrhov filmov HPC/PAA, MC/PAA in HEC/PAA premaknile za 14, 10 in 8 cm - 1. Vodikova vez med etrom kisikom in COOH prekine vodikovo vez med skupinami COOH. Več kot vodikove vezi, ki se tvorijo med PAA in CE, večji je največji premik CE/PAA v IR spektrih. HPC ima najvišjo stopnjo kompleksa vodikove vezi, PAA in MC sta na sredini, HEC pa najnižji.
Rast vedenja sestavljenih filmov PAA in CES:
Obnašanje filma, ki tvori filmo PAA in CES med sklopom LBL, je bilo raziskano z uporabo QCM in spektralne interferometrije. QCM je učinkovit za spremljanje rasti filma in situ v prvih nekaj ciklih montaže. Spektralni interferometri so primerni za filme, ki se gojijo v 10 ciklih.
Film HEC/PAA je pokazal linearno rast v celotnem postopku sestavljanja LBL, medtem ko so filmi MC/PAA in HPC/PAA pokazali eksponentno rast v zgodnjih fazah montaže in se nato spremenili v linearno rast. V območju linearne rasti je višja stopnja komplekmentacije, večja je rast debeline na cikel montaže.
Vpliv pH raztopine na rast filma:
PH vrednost raztopine vpliva na rast vodikovega polimernega kompozitnega filma. Kot šibek polielektrolit bo PAA ionizirana in negativno nabita, ko se pH raztopine povečuje, s čimer zavira povezavo vodikove vezi. Ko je stopnja ionizacije PAA dosegla določeno raven, PAA ni mogla sestaviti v film z sprejemniki vodikove vezi v LBL.
Debelina filma se je s povečanjem pH raztopine zmanjšala, debelina filma pa se je nenadoma zmanjšala pri pH2,5 HPC/PAA in Ph3,0-3,5 HPC/PAA. Kritična točka HPC/PAA je približno pH 3,5, medtem ko je HEC/PAA približno 3,0. To pomeni, da ko je pH raztopine montaže višji od 3,5, filma HPC/PAA ni mogoče oblikovati, in ko je pH raztopine višji od 3,0, filma HEC/PAA ni mogoče oblikovati. Zaradi večje stopnje kompleksa vodikove vezi membrane HPC/PAA je kritična pH vrednost membrane HPC/PAA višja od vrednosti membrane HEC/PAA. V raztopini brez soli so bile kritične pH vrednosti kompleksov, ki jih tvorijo HEC/PAA, MC/PAA in HPC/PAA, približno 2,9, 3,2 in 3,7. Kritični pH HPC/PAA je višji kot pri HEC/PAA, kar je skladno z membrano LBL.
Učinkovitost absorpcije vode membrane CE/ PAA:
CES je bogat s hidroksilnimi skupinami, tako da ima dobro absorpcijo vode in zadrževanje vode. Kot primer jemljemo membrano HEC/PAA, je preučevala adsorpcijsko zmogljivost membrane CE/PAA, ki je vezana na vodik, v vodo v okolju. Debelina filma, za katero je značilna spektralna interferometrija, se poveča, ko film absorbira vodo. Postavili so ga v okolje z nastavljivo vlažnostjo pri 25 ° C 24 ur, da smo dosegli ravnovesje absorpcije vode. Filme smo 24 ur posušili v vakuumski pečici (40 ° C), da smo popolnoma odstranili vlago.
Ko se vlažnost povečuje, se film zgosti. V površini nizke vlažnosti 30%-50%je rast debeline razmeroma počasna. Ko vlažnost presega 50%, debelina hitro raste. V primerjavi z membrano PVPON/PAA, vezano na vodik, lahko membrana HEC/PAA absorbira več vode iz okolja. Pod pogojem relativne vlažnosti 70%(25 ° C) je zgoščevalni razpon filma PVPON/PAA približno 4%, medtem ko je film HEC/PAA kar približno 18%. Rezultati so pokazali, da čeprav je pri oblikovanju vodikovih vezi sodelovala določena količina OH skupin v sistemu HEC/PAA, je bilo še vedno veliko število skupin OH, ki so v okolju vplivale na vodo. Zato ima sistem HEC/PAA dobre lastnosti absorpcije vode.
Za zaključek
(1) Sistem HPC/PAA z najvišjo stopnjo vezave vodika CE in PAA ima najhitrejšo rast med njimi, MC/PAA je na sredini, HEC/PAA pa najnižja.
(2) Film HEC/PAA je v celotnem postopku priprave pokazal linearni način rasti, druga dva filma MC/PAA in HPC/PAA pa sta pokazala eksponentno rast v prvih nekaj ciklih in se nato spremenila v linearni način rasti.
(3) Rast filma CE/PAA ima močno odvisnost od pH raztopine. Kadar je pH raztopine višji od kritične točke, se PAA in CE ne moreta zbrati v film. Sestavljena membrana CE/PAA je bila topna v raztopinah z visokimi pH.
(4) Ker je film CE/PAA bogat z OH in COOH, je toplotna obdelava navzkrižno povezana. Membrana CE/PAA ima dobro stabilnost in je netopna v visokih pH raztopinah.
(5) Film CE/PAA ima dobro adsorpcijsko zmogljivost za vodo v okolju.
Čas objave: 18. februar 20123