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 на вода 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