Предистория на изследването
Като естествен, изобилен и възобновяем ресурс, целулозата се сблъсква с големи предизвикателства в практическите си приложения поради свойствата си на нетопене и ограничена разтворимост. Високата кристалност и водородните връзки с висока плътност в структурата на целулозата я карат да се разгражда, но не и да се стопи по време на процеса на притежание и е неразтворима във вода и повечето органични разтворители. Техните производни се получават чрез естерификация и етерификация на хидроксилните групи на анхидроглюкозните единици в полимерната верига и ще проявяват някои различни свойства в сравнение с естествената целулоза. Реакцията на етерификация на целулозата може да генерира много водоразтворими целулозни етери, като метил целулоза (MC), хидроксиетил целулоза (HEC) и хидроксипропил целулоза (HPC), които се използват широко в храните, козметиката, във фармацевтиката и медицината. Водоразтворимите CE могат да образуват полимери с водородни връзки с поликарбоксилни киселини и полифеноли.
Сглобяването слой по слой (LBL) е ефективен метод за получаване на полимерни композитни тънки филми. Следващото основно описва сглобяването на LBL на три различни CE на HEC, MC и HPC с PAA, сравнява тяхното поведение на сглобяване и анализира влиянието на заместителите върху сглобяването на LBL. Изследвайте ефекта на рН върху дебелината на филма и различните разлики на рН върху образуването и разтварянето на филма и разработете водопоглъщащите свойства на CE/PAA.
Експериментални материали:
Полиакрилова киселина (PAA, Mw = 450 000). Вискозитетът на 2 тегл.% воден разтвор на хидроксиетилцелулоза (HEC) е 300 mPa·s, а степента на заместване е 2,5. Метилцелулоза (МС, 2 тегл.% воден разтвор с вискозитет 400 mPa·s и степен на заместване 1,8). Хидроксипропилцелулоза (HPC, 2 тегл.% воден разтвор с вискозитет 400 mPa·s и степен на заместване 2,5).
Подготовка на филма:
Приготвен чрез сглобяване на течен кристален слой върху силиций при 25°C. Методът на третиране на матрицата на слайда е както следва: накиснете в кисел разтвор (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) за 30 минути, след това изплакнете с дейонизирана вода няколко пъти, докато pH стане неутрално, и накрая изсушете с чист азот. Сглобяването на LBL се извършва с помощта на автоматични машини. Субстратът се накисва последователно в разтвор на СЕ (0.2 mg/mL) и разтвор на PAA (0.2 mg/mL), всеки разтвор се накисва за 4 минути. Бяха извършени три изплаквания с по 1 минута всяко в дейонизирана вода между всяко накисване с разтвор, за да се отстрани хлабаво прикрепеният полимер. Стойностите на pH на разтвора за сглобяване и разтвора за изплакване бяха регулирани до pH 2,0. Подготвените филми се означават като (CE/PAA)n, където n означава цикъла на сглобяване. Основно бяха приготвени (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 и (HPC/PAA)30.
Характеристика на филма:
Бяха записани и анализирани почти нормални спектри на отражение с NanoCalc-XR Ocean Optics и беше измерена дебелината на филмите, отложени върху силиций. С празен силиконов субстрат като фон, FT-IR спектърът на тънкия филм върху силиконовия субстрат беше събран на инфрачервен спектрометър Nicolet 8700.
Взаимодействия на водородни връзки между PAA и CEs:
Сглобяване на HEC, MC и HPC с PAA в LBL филми. Инфрачервените спектри на HEC/PAA, MC/PAA и HPC/PAA са показани на фигурата. Силните IR сигнали на PAA и CES могат ясно да се наблюдават в IR спектрите на HEC/PAA, MC/PAA и HPC/PAA. FT-IR спектроскопията може да анализира образуването на водородна връзка между PAA и CES чрез наблюдение на изместването на характерните абсорбционни ленти. Водородната връзка между CES и PAA възниква главно между хидроксилния кислород на CES и COOH групата на PAA. След като се образува водородната връзка, червеният пик на разтягане се измества към нискочестотната посока.
Наблюдава се пик от 1710 cm-1 за чист PAA прах. Когато полиакриламидът беше сглобен във филми с различни CE, пиковете на HEC/PAA, MC/PAA и MPC/PAA филмите бяха разположени съответно при 1718 cm-1, 1720 cm-1 и 1724 cm-1. В сравнение с чист PAA прах, пиковите дължини на HPC/PAA, MC/PAA и HEC/PAA филми се изместват съответно с 14, 10 и 8 cm-1. Водородната връзка между етерния кислород и COOH прекъсва водородната връзка между COOH групите. Колкото повече водородни връзки се образуват между PAA и CE, толкова по-голямо е изместването на пика на CE/PAA в IR спектрите. HPC има най-високата степен на комплексообразуване на водородна връзка, PAA и MC са в средата, а HEC е най-ниската.
Поведение на растеж на композитни филми от PAA и CEs:
Филмообразуващото поведение на PAA и CE по време на сглобяването на LBL беше изследвано с помощта на QCM и спектрална интерферометрия. QCM е ефективен за наблюдение на растежа на филма на място по време на първите няколко цикъла на сглобяване. Спектралните интерферометри са подходящи за филми, отглеждани в продължение на 10 цикъла.
Филмът HEC/PAA показва линеен растеж през целия процес на сглобяване на LBL, докато филмите MC/PAA и HPC/PAA показват експоненциален растеж в ранните етапи на сглобяване и след това се трансформират в линеен растеж. В областта на линейния растеж, колкото по-висока е степента на комплексообразуване, толкова по-голям е растежът на дебелината за цикъл на сглобяване.
Ефект на pH на разтвора върху растежа на филма:
Стойността на pH на разтвора влияе върху растежа на полимерния композитен филм с водородна връзка. Като слаб полиелектролит, PAA ще бъде йонизиран и отрицателно зареден с повишаване на рН на разтвора, като по този начин инхибира свързването на водородна връзка. Когато степента на йонизация на PAA достигне определено ниво, PAA не може да се събере във филм с акцептори на водородна връзка в LBL.
Дебелината на филма намалява с повишаването на pH на разтвора и дебелината на филма намалява внезапно при pH2,5 HPC/PAA и pH3,0-3,5 HPC/PAA. Критичната точка на HPC/PAA е около pH 3,5, докато тази на HEC/PAA е около 3,0. Това означава, че когато pH на монтажния разтвор е по-високо от 3,5, HPC/PAA филмът не може да се образува, а когато pH на разтвора е по-високо от 3,0, HEC/PAA филмът не може да се образува. Поради по-високата степен на комплексообразуване на водородна връзка на HPC/PAA мембраната, критичната стойност на pH на HPC/PAA мембраната е по-висока от тази на HEC/PAA мембраната. В разтвор без сол, критичните стойности на рН на комплексите, образувани от HEC/PAA, MC/PAA и HPC/PAA, са съответно около 2.9, 3.2 и 3.7. Критичното pH на HPC/PAA е по-високо от това на HEC/PAA, което е в съответствие с това на LBL мембраната.
Ефективност на водопоглъщане на CE/PAA мембрана:
CES е богат на хидроксилни групи, така че има добра абсорбция и задържане на вода. Вземайки HEC/PAA мембрана като пример, беше изследван адсорбционният капацитет на водородно свързана CE/PAA мембрана към водата в околната среда. Характеризира се със спектрална интерферометрия, дебелината на филма се увеличава, когато филмът абсорбира вода. Беше поставен в среда с регулируема влажност при 25°C за 24 часа, за да се постигне равновесие на абсорбцията на вода. Филмите се сушат във вакуумна пещ (40 ° С) в продължение на 24 часа, за да се отстрани напълно влагата.
С увеличаването на влажността филмът се сгъстява. В зона с ниска влажност от 30% -50%, растежът на дебелината е относително бавен. Когато влажността надвишава 50%, дебелината нараства бързо. В сравнение с водородно свързаната PVPON/PAA мембрана, HEC/PAA мембраната може да абсорбира повече вода от околната среда. При условия на относителна влажност от 70% (25°C), обхватът на сгъстяване на филма PVPON/PAA е около 4%, докато този на филма HEC/PAA е около 18%. Резултатите показват, че въпреки че определено количество ОН групи в системата HEC/PAA участват в образуването на водородни връзки, все още има значителен брой ОН групи, взаимодействащи с водата в околната среда. Поради това системата HEC/PAA има добри водопоглъщащи свойства.
в заключение
(1) Системата HPC/PAA с най-висока степен на водородно свързване на CE и PAA има най-бърз растеж сред тях, MC/PAA е в средата, а HEC/PAA е най-ниската.
(2) Филмът HEC/PAA показа режим на линеен растеж през целия процес на подготовка, докато другите два филма MC/PAA и HPC/PAA показаха експоненциален растеж през първите няколко цикъла и след това се трансформираха в режим на линеен растеж.
(3) Растежът на CE/PAA филм има силна зависимост от pH на разтвора. Когато pH на разтвора е по-високо от критичната си точка, PAA и CE не могат да се съберат във филм. Сглобената CE/PAA мембрана беше разтворима в разтвори с високо pH.
(4) Тъй като филмът CE/PAA е богат на OH и COOH, термичната обработка го прави омрежен. Омрежената CE/PAA мембрана има добра стабилност и е неразтворима в разтвори с високо pH.
(5) Филмът CE/PAA има добър капацитет за адсорбция на вода в околната среда.
Време на публикуване: 18 февруари 2023 г