Background ng Pananaliksik
Bilang isang likas, sagana at nababagong mapagkukunan, ang selulusa ay nakakaharap ng malalaking hamon sa mga praktikal na aplikasyon dahil sa hindi natutunaw at limitadong mga katangian ng solubility nito. Ang mataas na crystallinity at high-density na hydrogen bond sa cellulose na istraktura ay nagpapababa ngunit hindi natutunaw sa panahon ng proseso ng pagmamay-ari, at hindi matutunaw sa tubig at karamihan sa mga organikong solvent. Ang kanilang mga derivatives ay ginawa ng esterification at etherification ng mga hydroxyl group sa anhydroglucose units sa polymer chain, at magpapakita ng ilang iba't ibang katangian kumpara sa natural na selulusa. Ang etherification reaction ng cellulose ay maaaring makabuo ng maraming water-soluble cellulose ethers, tulad ng methyl cellulose (MC), hydroxyethyl cellulose (HEC) at hydroxypropyl cellulose (HPC), na malawakang ginagamit sa pagkain, cosmetics, sa mga pharmaceutical at gamot. Ang nalulusaw sa tubig na CE ay maaaring bumuo ng hydrogen-bonded polymers na may polycarboxylic acids at polyphenols.
Ang layer-by-layer assembly (LBL) ay isang epektibong paraan para sa paghahanda ng polymer composite thin films. Pangunahing inilalarawan ng sumusunod ang LBL assembly ng tatlong magkakaibang CE ng HEC, MC at HPC na may PAA, inihahambing ang kanilang pag-uugali sa pagpupulong, at sinusuri ang impluwensya ng mga substituent sa LBL assembly. Siyasatin ang epekto ng pH sa kapal ng pelikula, at ang iba't ibang pagkakaiba ng pH sa pagbuo at pagkatunaw ng pelikula, at bumuo ng mga katangian ng pagsipsip ng tubig ng CE/PAA.
Mga Pang-eksperimentong Materyales:
Polyacrylic acid (PAA, Mw = 450,000). Ang lagkit ng 2wt.% aqueous solution ng hydroxyethylcellulose (HEC) ay 300 mPa·s, at ang antas ng pagpapalit ay 2.5. Methylcellulose (MC, isang 2wt.% aqueous solution na may lagkit na 400 mPa·s at isang antas ng pagpapalit na 1.8). Hydroxypropyl cellulose (HPC, isang 2wt.% aqueous solution na may lagkit na 400 mPa·s at isang antas ng pagpapalit ng 2.5).
Paghahanda ng pelikula:
Inihanda ng liquid crystal layer assembly sa silicon sa 25°C. Ang paraan ng paggamot ng slide matrix ay ang mga sumusunod: ibabad sa acidic na solusyon (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) sa loob ng 30min, pagkatapos ay banlawan ng deionized na tubig nang ilang beses hanggang sa maging neutral ang pH, at sa wakas ay tuyo ng purong nitrogen. Ang pagpupulong ng LBL ay isinasagawa gamit ang awtomatikong makinarya. Ang substrate ay halili na ibinabad sa CE solution (0.2 mg/mL) at PAA solution (0.2 mg/mL), ang bawat solusyon ay nababad sa loob ng 4 min. Tatlong banlawan na pagbabad ng 1 min bawat isa sa deionized na tubig ay isinagawa sa pagitan ng bawat solusyon magbabad upang alisin ang maluwag na nakakabit na polimer. Ang mga halaga ng pH ng solusyon sa pagpupulong at ang solusyon sa pagbabanlaw ay parehong naayos sa pH 2.0. Ang mga inihandang pelikula ay tinutukoy bilang (CE/PAA)n, kung saan ang n ay tumutukoy sa ikot ng pagpupulong. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 at (HPC/PAA)30 ang pangunahing inihanda.
Katangian ng Pelikula:
Ang malapit sa normal na reflectance spectra ay naitala at nasuri gamit ang NanoCalc-XR Ocean Optics, at ang kapal ng mga pelikulang idineposito sa silikon ay sinusukat. Gamit ang isang blangko na silicon na substrate bilang background, ang FT-IR spectrum ng manipis na pelikula sa silicon substrate ay nakolekta sa isang Nicolet 8700 infrared spectrometer.
Mga pakikipag-ugnayan ng hydrogen bond sa pagitan ng mga PAA at CE:
Pagpupulong ng HEC, MC at HPC kasama ang PAA sa mga pelikulang LBL. Ang infrared spectra ng HEC/PAA, MC/PAA at HPC/PAA ay ipinapakita sa figure. Ang malakas na IR signal ng PAA at CES ay malinaw na makikita sa IR spectra ng HEC/PAA, MC/PAA at HPC/PAA. Maaaring pag-aralan ng FT-IR spectroscopy ang hydrogen bond complexation sa pagitan ng PAA at CES sa pamamagitan ng pagsubaybay sa paglilipat ng mga katangian ng pagsipsip na banda. Ang hydrogen bonding sa pagitan ng CES at PAA ay pangunahing nangyayari sa pagitan ng hydroxyl oxygen ng CES at ng COOH group ng PAA. Matapos mabuo ang hydrogen bond, ang stretching peak red ay lumilipat sa mababang frequency na direksyon.
Ang isang peak ng 1710 cm-1 ay na-obserbahan para sa purong PAA powder. Kapag ang polyacrylamide ay pinagsama-sama sa mga pelikulang may iba't ibang CE, ang mga taluktok ng HEC/PAA, MC/PAA at MPC/PAA na mga pelikula ay matatagpuan sa 1718 cm-1, 1720 cm-1 at 1724 cm-1, ayon sa pagkakabanggit. Kung ikukumpara sa purong PAA powder, ang peak length ng HPC/PAA, MC/PAA at HEC/PAA na mga pelikula ay lumipat ng 14, 10 at 8 cm−1, ayon sa pagkakabanggit. Ang hydrogen bond sa pagitan ng eter oxygen at COOH ay nakakaabala sa hydrogen bond sa pagitan ng mga grupo ng COOH. Ang mas maraming hydrogen bond na nabuo sa pagitan ng PAA at CE, mas malaki ang peak shift ng CE/PAA sa IR spectra. Ang HPC ay may pinakamataas na antas ng hydrogen bond complexation, ang PAA at MC ay nasa gitna, at ang HEC ang pinakamababa.
Pag-uugali ng paglago ng mga pinagsama-samang pelikula ng PAA at CE:
Ang pag-uugali ng pagbuo ng pelikula ng PAA at CE sa panahon ng pagpupulong ng LBL ay sinisiyasat gamit ang QCM at spectral interferometry. Ang QCM ay epektibo para sa pagsubaybay sa paglaki ng pelikula sa lugar sa mga unang ilang cycle ng pagpupulong. Ang mga spectral interferometer ay angkop para sa mga pelikulang lumaki nang higit sa 10 cycle.
Ang HEC/PAA film ay nagpakita ng linear growth sa buong proseso ng LBL assembly, habang ang MC/PAA at HPC/PAA films ay nagpakita ng exponential growth sa mga unang yugto ng assembly at pagkatapos ay naging linear growth. Sa linear na rehiyon ng paglago, mas mataas ang antas ng pagiging kumplikado, mas malaki ang paglaki ng kapal sa bawat ikot ng pagpupulong.
Epekto ng pH ng solusyon sa paglago ng pelikula:
Ang halaga ng pH ng solusyon ay nakakaapekto sa paglago ng hydrogen bonded polymer composite film. Bilang isang mahinang polyelectrolyte, ang PAA ay ionized at negatibong sisingilin habang ang pH ng solusyon ay tumataas, sa gayon ay humahadlang sa pagsasamahan ng hydrogen bond. Kapag ang antas ng ionization ng PAA ay umabot sa isang tiyak na antas, ang PAA ay hindi maaaring mag-assemble sa isang pelikula na may mga hydrogen bond acceptor sa LBL.
Bumaba ang kapal ng pelikula sa pagtaas ng pH ng solusyon, at biglang bumaba ang kapal ng pelikula sa pH2.5 HPC/PAA at pH3.0-3.5 HPC/PAA. Ang kritikal na punto ng HPC/PAA ay tungkol sa pH 3.5, habang ang sa HEC/PAA ay humigit-kumulang 3.0. Nangangahulugan ito na kapag ang pH ng solusyon sa pagpupulong ay mas mataas sa 3.5, hindi mabuo ang HPC/PAA film, at kapag ang pH ng solusyon ay mas mataas sa 3.0, hindi mabubuo ang HEC/PAA film. Dahil sa mas mataas na antas ng hydrogen bond complexation ng HPC/PAA membrane, ang kritikal na pH value ng HPC/PAA membrane ay mas mataas kaysa sa HEC/PAA membrane. Sa solusyon na walang asin, ang mga kritikal na halaga ng pH ng mga complex na nabuo ng HEC/PAA, MC/PAA at HPC/PAA ay mga 2.9, 3.2 at 3.7, ayon sa pagkakabanggit. Ang kritikal na pH ng HPC/PAA ay mas mataas kaysa sa HEC/PAA, na naaayon sa LBL membrane.
Pagganap ng pagsipsip ng tubig ng CE/PAA membrane:
Ang CES ay mayaman sa mga hydroxyl group upang magkaroon ito ng mahusay na pagsipsip ng tubig at pagpapanatili ng tubig. Ang pagkuha ng HEC/PAA membrane bilang isang halimbawa, ang adsorption capacity ng hydrogen-bonded CE/PAA membrane sa tubig sa kapaligiran ay pinag-aralan. Nailalarawan ng spectral interferometry, tumataas ang kapal ng pelikula habang sumisipsip ng tubig ang pelikula. Ito ay inilagay sa isang kapaligiran na may adjustable na halumigmig sa 25°C sa loob ng 24 na oras upang makamit ang balanse ng pagsipsip ng tubig. Ang mga pelikula ay pinatuyo sa isang vacuum oven (40 °C) sa loob ng 24 na oras upang ganap na maalis ang kahalumigmigan.
Habang tumataas ang halumigmig, lumakapal ang pelikula. Sa mababang lugar ng halumigmig na 30%-50%, ang paglago ng kapal ay medyo mabagal. Kapag ang halumigmig ay lumampas sa 50%, ang kapal ay mabilis na lumalaki. Kung ikukumpara sa hydrogen-bonded PVPON/PAA membrane, ang HEC/PAA membrane ay maaaring sumipsip ng mas maraming tubig mula sa kapaligiran. Sa ilalim ng kondisyon ng relative humidity na 70% (25°C), ang thickening range ng PVPON/PAA film ay humigit-kumulang 4%, habang ang HEC/PAA film ay kasing taas ng humigit-kumulang 18%. Ang mga resulta ay nagpakita na kahit na ang isang tiyak na halaga ng mga pangkat ng OH sa sistema ng HEC/PAA ay lumahok sa pagbuo ng mga bono ng hydrogen, mayroon pa ring malaking bilang ng mga pangkat ng OH na nakikipag-ugnayan sa tubig sa kapaligiran. Samakatuwid, ang sistema ng HEC/PAA ay may magandang katangian ng pagsipsip ng tubig.
sa konklusyon
(1) Ang sistema ng HPC/PAA na may pinakamataas na antas ng hydrogen bonding ng CE at PAA ay may pinakamabilis na paglaki sa kanila, ang MC/PAA ay nasa gitna, at ang HEC/PAA ang pinakamababa.
(2) Ang HEC/PAA film ay nagpakita ng linear growth mode sa buong proseso ng paghahanda, habang ang iba pang dalawang pelikulang MC/PAA at HPC/PAA ay nagpakita ng exponential growth sa unang ilang cycle, at pagkatapos ay binago sa isang linear growth mode.
(3) Ang paglago ng CE/PAA film ay may malakas na pag-asa sa solusyon na pH. Kapag ang pH ng solusyon ay mas mataas kaysa sa kritikal na punto nito, hindi maaaring mag-assemble ang PAA at CE sa isang pelikula. Ang pinagsama-samang CE/PAA membrane ay natutunaw sa mataas na pH na solusyon.
(4) Dahil ang CE/PAA film ay mayaman sa OH at COOH, ginagawa itong cross-linked ng heat treatment. Ang cross-linked CE/PAA membrane ay may mahusay na katatagan at hindi matutunaw sa mataas na pH na solusyon.
(5) Ang CE/PAA film ay may mahusay na adsorption capacity para sa tubig sa kapaligiran.
Oras ng post: Peb-18-2023