ฟิล์มพันธะกรดไฮโดรเจน

พื้นหลังการวิจัย

ในฐานะที่เป็นทรัพยากรที่เป็นธรรมชาติมากมายและทดแทนเซลลูโลสได้พบกับความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ในการใช้งานจริงเนื่องจากคุณสมบัติการละลายที่ไม่ละลายและ จำกัด ความเป็นผลึกสูงและพันธะไฮโดรเจนที่มีความหนาแน่นสูงในโครงสร้างเซลลูโลสทำให้ลดลง แต่ไม่ละลายในระหว่างกระบวนการครอบครองและไม่ละลายในน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์ส่วนใหญ่ อนุพันธ์ของพวกเขาผลิตโดย esterification และ etherification ของกลุ่มไฮดรอกซิลในหน่วย anhydroglucose ในห่วงโซ่โพลิเมอร์และจะแสดงคุณสมบัติที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับเซลลูโลสธรรมชาติ ปฏิกิริยา Etherification ของเซลลูโลสสามารถสร้างอีเทอร์เซลลูโลสที่ละลายน้ำได้หลายอย่างเช่นเมทิลเซลลูโลส (MC), ไฮดรอกซีเอธิลเซลลูโลส (HEC) และไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลส (HPC) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอาหารเครื่องประดับในยาและการแพทย์ CE ที่ละลายน้ำได้สามารถสร้างพอลิเมอร์ที่มีไฮโดรเจนที่มีกรดโพลีคาร์บ็อกซิลิกและโพลีฟีนอล

Assembly แบบเลเยอร์โดยเลเยอร์ (LBL) เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเตรียมฟิล์มบางพอลิเมอร์คอมโพสิต ต่อไปนี้ส่วนใหญ่อธิบายการประกอบ LBL ของ CES สาม CES ที่แตกต่างกันของ HEC, MC และ HPC กับ PAA เปรียบเทียบพฤติกรรมการชุมนุมของพวกเขาและวิเคราะห์อิทธิพลของ substituents ในการประกอบ LBL ตรวจสอบผลกระทบของค่า pH ต่อความหนาของฟิล์มและความแตกต่างที่แตกต่างกันของค่า pH ต่อการสร้างภาพยนตร์และการสลายตัวและพัฒนาคุณสมบัติการดูดซับน้ำของ CE/PAA

วัสดุทดลอง:

กรดโพลีอะคริลิค (PAA, MW = 450,000) ความหนืดของสารละลายน้ำ 2wt.% ของไฮดรอกซีเอทิลเซลล์ (HEC) คือ 300 MPa · S และระดับการทดแทนคือ 2.5 Methylcellulose (MC, สารละลายน้ำ 2Wt.% ที่มีความหนืด 400 MPa · S และระดับการทดแทน 1.8) Hydroxypropyl เซลลูโลส (HPC, สารละลายน้ำ 2Wt.% ที่มีความหนืด 400 MPa · S และระดับการทดแทน 2.5)

การเตรียมภาพยนตร์:

จัดทำโดยชุดชั้นคริสตัลเหลวบนซิลิคอนที่ 25 ° C วิธีการรักษาของเมทริกซ์สไลด์มีดังนี้: แช่ในสารละลายที่เป็นกรด (H2SO4/H2O2, 7/3vol/vol) เป็นเวลา 30 นาทีจากนั้นล้างออกด้วยน้ำที่ปราศจากไอออนหลายครั้งจนกระทั่งค่า pH กลายเป็นกลางและในที่สุดก็แห้งด้วยไนโตรเจนบริสุทธิ์ แอสเซมบลี LBL ดำเนินการโดยใช้เครื่องจักรอัตโนมัติ สารตั้งต้นถูกแช่ในสารละลาย CE (0.2 มก./มล.) และสารละลาย PAA (0.2 มก./มล.) แต่ละสารละลายถูกแช่เป็นเวลา 4 นาที การแช่น้ำยาล้างสามครั้งในน้ำที่ปราศจากไอออนได้ดำเนินการระหว่างการแก้ปัญหาแต่ละครั้งเพื่อกำจัดพอลิเมอร์ที่แนบมาอย่างหลวม ๆ ค่า pH ของโซลูชันการประกอบและสารละลายล้างได้รับการปรับเป็น pH 2.0 ภาพยนตร์ที่เตรียมไว้นั้นแสดงเป็น (CE/PAA) n โดยที่ n หมายถึงวัฏจักรการประกอบ (HEC/PAA) 40, (MC/PAA) 30 และ (HPC/PAA) 30 ถูกเตรียมเป็นหลัก

การศึกษาลักษณะของภาพยนตร์:

สเปกตรัมการสะท้อนแสงใกล้ปกติถูกบันทึกและวิเคราะห์ด้วยออพติกมหาสมุทร nanocalc-XR และความหนาของฟิล์มที่สะสมอยู่บนซิลิคอนถูกวัด ด้วยสารตั้งต้นซิลิกอนที่ว่างเปล่าเป็นพื้นหลังสเปกตรัม FT-IR ของฟิล์มบาง ๆ บนพื้นผิวซิลิกอนถูกรวบรวมบนสเปกโตรมิเตอร์อินฟราเรด Nicolet 8700

ปฏิกิริยาระหว่างพันธะไฮโดรเจนระหว่าง PAA และ CES:

การชุมนุมของ HEC, MC และ HPC กับ PAA ในภาพยนตร์ LBL อินฟราเรดสเปกตรัมของ HEC/PAA, MC/PAA และ HPC/PAA แสดงในรูป สัญญาณ IR ที่แข็งแกร่งของ PAA และ CES สามารถสังเกตได้อย่างชัดเจนใน IR spectra ของ HEC/PAA, MC/PAA และ HPC/PAA FT-IR spectroscopy สามารถวิเคราะห์ความซับซ้อนของพันธะไฮโดรเจนระหว่าง PAA และ CES โดยการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของแถบการดูดซับลักษณะ พันธะไฮโดรเจนระหว่าง CES และ PAA ส่วนใหญ่เกิดขึ้นระหว่างออกซิเจนไฮดรอกซิลของ CES และกลุ่ม COOH ของ PAA หลังจากเกิดพันธะไฮโดรเจนแล้วการยืดสีแดงยอดเขาจะเปลี่ยนไปยังทิศทางความถี่ต่ำ

พบจุดสูงสุดของ 1710 cm-1 สำหรับผง Paa บริสุทธิ์ เมื่อ Polyacrylamide ถูกรวมเข้ากับภาพยนตร์ที่มี CES ที่แตกต่างกันยอดเขาของ HEC/PAA, MC/PAA และ MPC/PAA Films ตั้งอยู่ที่ 1718 cm-1, 1720 cm-1 และ 1724 cm-1 ตามลำดับ เมื่อเทียบกับผง Paa บริสุทธิ์ความยาวสูงสุดของ HPC/PAA, MC/PAA และ HEC/PAA ฟิล์มเปลี่ยนไป 14, 10 และ 8 cm - 1 ตามลำดับ พันธะไฮโดรเจนระหว่างออกซิเจนอีเธอร์และ COOH ขัดจังหวะพันธะไฮโดรเจนระหว่างกลุ่ม COOH ยิ่งพันธะไฮโดรเจนเกิดขึ้นระหว่าง PAA และ CE มากเท่าไหร่การเปลี่ยนแปลงสูงสุดของ CE/PAA ใน IR spectra HPC มีระดับความซับซ้อนของพันธะไฮโดรเจนสูงสุด PAA และ MC อยู่ตรงกลางและ HEC นั้นต่ำที่สุด

พฤติกรรมการเจริญเติบโตของฟิล์มคอมโพสิตของ PAA และ CES:

พฤติกรรมการขึ้นรูปภาพยนตร์ของ PAA และ CES ในระหว่างการประกอบ LBL ถูกตรวจสอบโดยใช้ QCM และ interferometry สเปกตรัม QCM มีประสิทธิภาพสำหรับการตรวจสอบการเติบโตของฟิล์มในแหล่งกำเนิดในช่วงสองสามรอบแรก เครื่องวัดคลื่นความถี่สเปกตรัมเหมาะสำหรับภาพยนตร์ที่ปลูกมากกว่า 10 รอบ

ฟิล์ม HEC/PAA แสดงการเติบโตเชิงเส้นตลอดกระบวนการประกอบ LBL ในขณะที่ฟิล์ม MC/PAA และ HPC/PAA แสดงให้เห็นถึงการเติบโตแบบทวีคูณในระยะแรกของการชุมนุมและเปลี่ยนเป็นการเติบโตเชิงเส้น ในภูมิภาคการเจริญเติบโตเชิงเส้นยิ่งระดับความซับซ้อนที่สูงขึ้นเท่าใดการเจริญเติบโตของความหนาต่อวัฏจักรการประกอบก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ผลของการแก้ปัญหาค่า pH ต่อการเติบโตของฟิล์ม:

ค่า pH ของสารละลายมีผลต่อการเจริญเติบโตของฟิล์มคอมโพสิตโพลิเมอร์ที่ถูกผูกมัดไฮโดรเจน ในฐานะที่เป็นโพลีอิเล็กโตรไลต์ที่อ่อนแอ PAA จะถูกทำให้เป็นไอออนและมีประจุลบเมื่อค่า pH ของสารละลายเพิ่มขึ้นดังนั้นจึงยับยั้งการเชื่อมโยงพันธะไฮโดรเจน เมื่อระดับของการแตกตัวเป็นไอออนของ PAA ถึงระดับหนึ่ง PAA ไม่สามารถรวมตัวกันเป็นฟิล์มที่มีตัวรับพันธะไฮโดรเจนใน LBL

ความหนาของฟิล์มลดลงเมื่อค่า pH ที่เพิ่มขึ้นและความหนาของฟิล์มลดลงอย่างกะทันหันที่ Ph2.5 hpc/PAA และ Ph3.0-3.5 hpc/PAA จุดวิกฤติของ HPC/PAA คือประมาณ pH 3.5 ในขณะที่ HEC/PAA อยู่ที่ประมาณ 3.0 ซึ่งหมายความว่าเมื่อค่า pH ของสารละลายแอสเซมบลีสูงกว่า 3.5 ฟิล์ม HPC/PAA ไม่สามารถเกิดขึ้นได้และเมื่อค่า pH ของสารละลายสูงกว่า 3.0 ฟิล์ม HEC/PAA ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ เนื่องจากระดับการซับซ้อนของพันธะไฮโดรเจนที่สูงขึ้นของเมมเบรน HPC/PAA ค่า pH ที่สำคัญของเมมเบรน HPC/PAA นั้นสูงกว่าเยื่อหุ้มเซลล์ HEC/PAA ในสารละลายปลอดเกลือค่า pH ที่สำคัญของคอมเพล็กซ์ที่เกิดขึ้นโดย HEC/PAA, MC/PAA และ HPC/PAA อยู่ที่ประมาณ 2.9, 3.2 และ 3.7 ตามลำดับ ค่า pH ที่สำคัญของ HPC/PAA นั้นสูงกว่า HEC/PAA ซึ่งสอดคล้องกับเมมเบรน LBL

ประสิทธิภาพการดูดซับน้ำของเมมเบรน CE/ PAA:

CES อุดมไปด้วยกลุ่มไฮดรอกซิลเพื่อให้มีการดูดซับน้ำและการกักเก็บน้ำที่ดี การศึกษาการศึกษาความสามารถในการดูดซับของเยื่อหุ้มเซลล์ CE/PAA แบบไฮโดรเจนที่ยึดติดกับน้ำในสภาพแวดล้อม โดดเด่นด้วยอินเตอร์เฟอโรเมตรีสเปกตรัมความหนาของฟิล์มจะเพิ่มขึ้นเมื่อฟิล์มดูดซับน้ำ มันถูกวางไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นที่ปรับได้ที่ 25 ° C เป็นเวลา 24 ชั่วโมงเพื่อให้ได้สมดุลการดูดซับน้ำ ฟิล์มถูกทำให้แห้งในเตาอบสุญญากาศ (40 ° C) เป็นเวลา 24 ชั่วโมงเพื่อกำจัดความชื้นอย่างสมบูรณ์

เมื่อความชื้นเพิ่มขึ้นฟิล์มก็หนาขึ้น ในพื้นที่ความชื้นต่ำ 30%-50%การเติบโตของความหนาค่อนข้างช้า เมื่อความชื้นเกินกว่า 50%ความหนาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อเปรียบเทียบกับเยื่อหุ้มเซลล์ PVPON/PAA ที่ถูกยึดด้วยไฮโดรเจนเมมเบรน HEC/PAA สามารถดูดซับน้ำได้มากขึ้นจากสิ่งแวดล้อม ภายใต้เงื่อนไขของความชื้นสัมพัทธ์ 70%(25 ° C) ช่วงความหนาของฟิล์ม PVPON/PAA อยู่ที่ประมาณ 4%ในขณะที่ฟิล์ม HEC/PAA สูงถึง 18% ผลการศึกษาพบว่าแม้ว่ากลุ่ม OH จำนวนหนึ่งในระบบ HEC/PAA มีส่วนร่วมในการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจน แต่ก็ยังมีกลุ่ม OH จำนวนมากที่มีปฏิสัมพันธ์กับน้ำในสภาพแวดล้อม ดังนั้นระบบ HEC/PAA จึงมีคุณสมบัติการดูดซับน้ำที่ดี

สรุปแล้ว

(1) ระบบ HPC/PAA ที่มีระดับพันธะไฮโดรเจนสูงสุดของ CE และ PAA มีการเติบโตที่เร็วที่สุดในหมู่พวกเขา MC/PAA อยู่ตรงกลางและ HEC/PAA นั้นต่ำที่สุด

(2) ฟิล์ม HEC/PAA แสดงโหมดการเจริญเติบโตเชิงเส้นตลอดกระบวนการเตรียมการในขณะที่อีกสองภาพยนตร์ MC/PAA และ HPC/PAA แสดงการเติบโตแบบทวีคูณในรอบสองสามรอบแรกจากนั้นเปลี่ยนเป็นโหมดการเติบโตเชิงเส้น

(3) การเติบโตของฟิล์ม CE/PAA มีการพึ่งพาอย่างมากในการแก้ปัญหาค่า pH เมื่อค่า pH ของโซลูชันสูงกว่าจุดวิกฤติ PAA และ CE ไม่สามารถรวมตัวกันเป็นฟิล์มได้ เมมเบรน CE/PAA ประกอบละลายได้ในโซลูชั่นค่า pH สูง

(4) เนื่องจากฟิล์ม CE/PAA อุดมไปด้วย OH และ COOH การรักษาความร้อนจึงทำให้มันเชื่อมโยงข้าม เมมเบรน CE/PAA ที่เชื่อมโยงข้ามมีความเสถียรและไม่ละลายในสารละลายค่า pH สูง

(5) ฟิล์ม CE/PAA มีความสามารถในการดูดซับที่ดีสำหรับน้ำในสภาพแวดล้อม