Araştırmanın Arka Planı
Doğal, bol ve yenilenebilir bir kaynak olan selüloz, erimeyen ve sınırlı çözünürlük özellikleri nedeniyle pratik uygulamalarda büyük zorluklarla karşılaşır. Selüloz yapısındaki yüksek kristallik ve yüksek yoğunluklu hidrojen bağları, onu parçalanmaya uğratır ancak ele geçirme işlemi sırasında erimez ve suda ve çoğu organik çözücüde çözünmez hale getirir. Türevleri, polimer zincirindeki anhidroglikoz ünitelerindeki hidroksil gruplarının esterifikasyonu ve eterifikasyonu ile üretilir ve doğal selüloza kıyasla bazı farklı özellikler sergiler. Selülozun eterifikasyon reaksiyonu, gıda, kozmetik, ilaç ve tıpta yaygın olarak kullanılan metil selüloz (MC), hidroksietil selüloz (HEC) ve hidroksipropil selüloz (HPC) gibi birçok suda çözünür selüloz eteri üretebilir. Suda çözünür CE, polikarboksilik asitler ve polifenollerle hidrojen bağlı polimerler oluşturabilir.
Katman katman montaj (LBL), polimer kompozit ince filmler hazırlamak için etkili bir yöntemdir. Aşağıda esas olarak PAA ile HEC, MC ve HPC'nin üç farklı CE'sinin LBL montajı açıklanmakta, montaj davranışları karşılaştırılmakta ve ikame edicilerin LBL montajı üzerindeki etkisi analiz edilmektedir. pH'ın film kalınlığı üzerindeki etkisini ve pH'ın film oluşumu ve çözünmesi üzerindeki farklı farklılıklarını araştırın ve CE/PAA'nın su emme özelliklerini geliştirin.
Deneysel Malzemeler:
Poliakrilik asit (PAA, Mw = 450.000). Hidroksietilselülozun (HEC) %2 ağırlıkça sulu çözeltisinin viskozitesi 300 mPa·s'dir ve ikame derecesi 2,5'tir. Metilselüloz (MC, 400 mPa·s viskoziteye ve 1,8 ikame derecesine sahip %2 ağırlıkça sulu çözelti). Hidroksipropil selüloz (HPC, 400 mPa·s viskoziteye ve 2,5 ikame derecesine sahip %2 ağırlıkça sulu çözelti).
Filmin hazırlanması:
25°C'de silikon üzerinde sıvı kristal tabaka montajı ile hazırlanmıştır. Slayt matrisinin işlem yöntemi şu şekildedir: 30 dakika boyunca asidik çözeltide (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) bekletin, sonra pH nötr hale gelene kadar birkaç kez deiyonize suyla durulayın ve son olarak saf nitrojenle kurutun. LBL montajı otomatik makineler kullanılarak gerçekleştirilir. Substrat dönüşümlü olarak CE çözeltisine (0,2 mg/mL) ve PAA çözeltisine (0,2 mg/mL) batırıldı, her çözelti 4 dakika bekletildi. Gevşekçe bağlı polimeri çıkarmak için her çözelti ıslatma arasında deiyonize suda her biri 1 dakika olmak üzere üç durulama ıslatma işlemi gerçekleştirildi. Montaj çözeltisinin ve durulama çözeltisinin pH değerleri pH 2,0'a ayarlandı. Hazırlanan filmler (CE/PAA)n olarak gösterilir, burada n montaj döngüsünü belirtir. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 ve (HPC/PAA)30 esas olarak hazırlanmıştır.
Film Karakterizasyonu:
NanoCalc-XR Ocean Optics ile neredeyse normal yansıma spektrumları kaydedildi ve analiz edildi ve silikon üzerine biriktirilen filmlerin kalınlığı ölçüldü. Arkaplan olarak boş bir silikon alt tabaka ile, silikon alt tabaka üzerindeki ince filmin FT-IR spektrumu bir Nicolet 8700 kızılötesi spektrometrede toplandı.
PAA ve CE'ler arasındaki hidrojen bağı etkileşimleri:
HEC, MC ve HPC'nin PAA ile LBL filmlere montajı. HEC/PAA, MC/PAA ve HPC/PAA'nın kızılötesi spektrumları şekilde gösterilmiştir. PAA ve CES'in güçlü IR sinyalleri HEC/PAA, MC/PAA ve HPC/PAA'nın IR spektrumlarında açıkça gözlemlenebilir. FT-IR spektroskopisi, karakteristik emilim bantlarının kaymasını izleyerek PAA ve CES arasındaki hidrojen bağı kompleksleşmesini analiz edebilir. CES ve PAA arasındaki hidrojen bağı esas olarak CES'in hidroksil oksijeni ile PAA'nın COOH grubu arasında meydana gelir. Hidrojen bağı oluştuktan sonra, germe tepe noktası kırmızısı düşük frekans yönüne kayar.
Saf PAA tozu için 1710 cm-1'lik bir pik gözlendi. Poliakrilamid farklı CE'lere sahip filmlere birleştirildiğinde, HEC/PAA, MC/PAA ve MPC/PAA filmlerinin piklerinin sırasıyla 1718 cm-1, 1720 cm-1 ve 1724 cm-1'de bulunduğu görüldü. Saf PAA tozuyla karşılaştırıldığında, HPC/PAA, MC/PAA ve HEC/PAA filmlerinin pik uzunlukları sırasıyla 14, 10 ve 8 cm-1 kaydı. Eter oksijeni ve COOH arasındaki hidrojen bağı, COOH grupları arasındaki hidrojen bağını keser. PAA ve CE arasında oluşan hidrojen bağı sayısı arttıkça, CE/PAA'nın IR spektrumlarındaki pik kayması da artar. HPC en yüksek hidrojen bağı kompleksleşmesine sahipken, PAA ve MC ortada yer alır ve HEC en düşük seviyededir.
PAA ve CE kompozit filmlerinin büyüme davranışı:
PAA ve CE'lerin LBL montajı sırasında film oluşturma davranışı QCM ve spektral interferometri kullanılarak araştırıldı. QCM, ilk birkaç montaj döngüsü sırasında yerinde film büyümesini izlemek için etkilidir. Spektral interferometreler, 10 döngü boyunca büyütülen filmler için uygundur.
HEC/PAA filmi LBL montaj süreci boyunca doğrusal bir büyüme gösterirken, MC/PAA ve HPC/PAA filmleri montajın erken aşamalarında üstel bir büyüme gösterdi ve ardından doğrusal bir büyümeye dönüştü. Doğrusal büyüme bölgesinde, kompleksleşme derecesi ne kadar yüksekse, montaj döngüsü başına kalınlık büyümesi o kadar büyüktü.
Çözelti pH'ının film büyümesine etkisi:
Çözeltinin pH değeri hidrojen bağlı polimer kompozit filmin büyümesini etkiler. Zayıf bir polielektrolit olan PAA, çözeltinin pH'ı arttıkça iyonlaşacak ve negatif yüklenecek ve böylece hidrojen bağı birleşmesini engelleyecektir. PAA'nın iyonlaşma derecesi belirli bir seviyeye ulaştığında, PAA LBL'de hidrojen bağı alıcıları olan bir filmde birleşemez.
Film kalınlığı çözelti pH'ının artmasıyla azalmıştır ve film kalınlığı pH2.5 HPC/PAA ve pH3.0-3.5 HPC/PAA'da aniden azalmıştır. HPC/PAA'nın kritik noktası pH 3.5 civarında iken, HEC/PAA'nın kritik noktası yaklaşık 3.0'dır. Bu, birleştirme çözeltisinin pH'ı 3.5'ten yüksek olduğunda HPC/PAA filminin oluşamayacağı ve çözeltinin pH'ı 3.0'dan yüksek olduğunda HEC/PAA filminin oluşamayacağı anlamına gelir. HPC/PAA membranının daha yüksek derecede hidrojen bağı kompleksleşmesi nedeniyle, HPC/PAA membranının kritik pH değeri HEC/PAA membranından daha yüksektir. Tuzsuz çözeltide, HEC/PAA, MC/PAA ve HPC/PAA tarafından oluşturulan komplekslerin kritik pH değerleri sırasıyla yaklaşık 2.9, 3.2 ve 3.7'dir. HPC/PAA'nın kritik pH'ı, LBL membranınınkiyle uyumlu olarak HEC/PAA'dan daha yüksektir.
CE/PAA membranın su emme performansı:
CES, iyi su emilimi ve su tutma özelliğine sahip olması için hidroksil grupları açısından zengindir. Örnek olarak HEC/PAA membranı ele alındığında, hidrojen bağlı CE/PAA membranının ortamdaki suya adsorpsiyon kapasitesi incelenmiştir. Spektral interferometri ile karakterize edilen film, film suyu emdikçe film kalınlığını artırır. Su emilimi dengesine ulaşmak için 24 saat boyunca 25°C'de ayarlanabilir nemli bir ortama yerleştirildi. Filmler, nemi tamamen gidermek için 24 saat boyunca vakumlu bir fırında (40 °C) kurutuldu.
Nem arttıkça film kalınlaşır. %30-%50 arasındaki düşük nem alanında kalınlık artışı nispeten yavaştır. Nem %50'yi aştığında kalınlık hızla artar. Hidrojen bağlı PVPON/PAA membranıyla karşılaştırıldığında, HEC/PAA membran çevreden daha fazla su emebilir. %70 (25°C) bağıl nem koşulu altında, PVPON/PAA filminin kalınlaşma aralığı yaklaşık %4 iken, HEC/PAA filminin kalınlaşma aralığı yaklaşık %18 kadar yüksektir. Sonuçlar, HEC/PAA sistemindeki belirli miktarda OH grubunun hidrojen bağlarının oluşumuna katılmasına rağmen, yine de çevredeki suyla etkileşime giren önemli sayıda OH grubunun olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, HEC/PAA sistemi iyi su emme özelliklerine sahiptir.
Sonuç olarak
(1) CE ve PAA'nın en yüksek hidrojen bağlama derecesine sahip HPC/PAA sistemi bunların arasında en hızlı büyümeye sahipken, MC/PAA ortada, HEC/PAA ise en düşük seviyededir.
(2) HEC/PAA filmi, hazırlama süreci boyunca doğrusal bir büyüme modu gösterdi, diğer iki film MC/PAA ve HPC/PAA ise ilk birkaç döngüde üstel bir büyüme gösterdi ve daha sonra doğrusal bir büyüme moduna dönüştü.
(3) CE/PAA filminin büyümesi çözelti pH'ına güçlü bir şekilde bağlıdır. Çözelti pH'ı kritik noktasından yüksek olduğunda, PAA ve CE bir film halinde birleşemez. Birleştirilen CE/PAA membranı yüksek pH çözeltilerinde çözünürdü.
(4) CE/PAA filmi OH ve COOH açısından zengin olduğundan, ısıl işlem onu çapraz bağlı hale getirir. Çapraz bağlı CE/PAA membranı iyi bir stabiliteye sahiptir ve yüksek pH çözeltilerinde çözünmez.
(5) CE/PAA filmi, çevredeki suya karşı iyi bir adsorpsiyon kapasitesine sahiptir.
Gönderi zamanı: 18-Şub-2023