Forskningsbakgrunn
Som en naturlig, rikelig og fornybar ressurs, møter cellulose store utfordringer i praktiske applikasjoner på grunn av dens ikke-smeltende og begrensede løselighetsegenskaper. Den høye krystalliniteten og hydrogenbindingene med høy tetthet i cellulosestrukturen gjør at den brytes ned, men ikke smelter under besittelsesprosessen, og er uløselig i vann og de fleste organiske løsningsmidler. Deres derivater produseres ved forestring og foretring av hydroksylgruppene på anhydroglukoseenhetene i polymerkjeden, og vil ha noen andre egenskaper sammenlignet med naturlig cellulose. Foretringsreaksjonen av cellulose kan generere mange vannløselige celluloseetere, slik som metylcellulose (MC), hydroksyetylcellulose (HEC) og hydroksypropylcellulose (HPC), som er mye brukt i mat, kosmetikk, i farmasøytiske produkter og medisiner. Vannløselig CE kan danne hydrogenbundne polymerer med polykarboksylsyrer og polyfenoler.
Layer-by-layer assembly (LBL) er en effektiv metode for å fremstille tynne polymerkomposittfilmer. Det følgende beskriver hovedsakelig LBL-sammenstillingen av tre forskjellige CE-er av HEC, MC og HPC med PAA, sammenligner deres monteringsadferd og analyserer påvirkningen av substituenter på LBL-sammenstilling. Undersøke effekten av pH på filmtykkelse, og de ulike pH-forskjellene på filmdannelse og oppløsning, og utvikle vannabsorpsjonsegenskapene til CE/PAA.
Eksperimentelt materiale:
Polyakrylsyre (PAA, Mw = 450.000). Viskositeten til 2 vekt% vandig oppløsning av hydroksyetylcellulose (HEC) er 300 mPa·s, og substitusjonsgraden er 2,5. Metylcellulose (MC, en 2 vekt% vandig løsning med en viskositet på 400 mPa·s og en substitusjonsgrad på 1,8). Hydroksypropylcellulose (HPC, en 2 vekt% vandig løsning med en viskositet på 400 mPa·s og en substitusjonsgrad på 2,5).
Filmforberedelse:
Fremstilt ved flytende krystalllagsmontering på silisium ved 25°C. Behandlingsmetoden for objektglassmatrisen er som følger: bløtlegg i sur løsning (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) i 30 minutter, skyll deretter med avionisert vann flere ganger til pH blir nøytral, og tørk til slutt med rent nitrogen. LBL-montering utføres ved hjelp av automatisk maskineri. Substratet ble vekselvis bløtlagt i CE-løsning (0,2 mg/ml) og PAA-løsning (0,2 mg/ml), hver løsning ble bløtlagt i 4 minutter. Tre skyllinger på 1 min hver i avionisert vann ble utført mellom hver løsningsoppløsning for å fjerne løst festet polymer. pH-verdiene til monteringsløsningen og skylleløsningen ble begge justert til pH 2,0. Filmene som er fremstilt er betegnet som (CE/PAA)n, hvor n angir monteringssyklusen. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 og (HPC/PAA)30 ble hovedsakelig fremstilt.
Filmkarakterisering:
Nær-normale reflektansspektre ble registrert og analysert med NanoCalc-XR Ocean Optics, og tykkelsen av filmer avsatt på silisium ble målt. Med et blankt silisiumsubstrat som bakgrunn ble FT-IR-spekteret til den tynne filmen på silisiumsubstratet samlet på et Nicolet 8700 infrarødt spektrometer.
Hydrogenbindingsinteraksjoner mellom PAA og CE:
Montering av HEC, MC og HPC med PAA til LBL-filmer. De infrarøde spektrene til HEC/PAA, MC/PAA og HPC/PAA er vist i figuren. De sterke IR-signalene til PAA og CES kan tydelig observeres i IR-spektrene til HEC/PAA, MC/PAA og HPC/PAA. FT-IR-spektroskopi kan analysere hydrogenbindingskomplekseringen mellom PAA og CES ved å overvåke skiftet av karakteristiske absorpsjonsbånd. Hydrogenbindingen mellom CES og PAA skjer hovedsakelig mellom hydroksyloksygenet til CES og COOH-gruppen til PAA. Etter at hydrogenbindingen er dannet, skifter strekktoppen rød til lavfrekvent retning.
En topp på 1710 cm-1 ble observert for rent PAA-pulver. Når polyakrylamid ble satt sammen til filmer med forskjellige CE-er, var toppene til HEC/PAA-, MC/PAA- og MPC/PAA-filmer lokalisert til henholdsvis 1718 cm-1, 1720 cm-1 og 1724 cm-1. Sammenlignet med rent PAA-pulver ble topplengdene til HPC/PAA-, MC/PAA- og HEC/PAA-filmene forskjøvet med henholdsvis 14, 10 og 8 cm−1. Hydrogenbindingen mellom eteroksygenet og COOH avbryter hydrogenbindingen mellom COOH-gruppene. Jo flere hydrogenbindinger som dannes mellom PAA og CE, desto større er toppforskyvningen av CE/PAA i IR-spektra. HPC har høyest grad av hydrogenbindingskompleksering, PAA og MC er i midten, og HEC er lavest.
Vekstatferd for komposittfilmer av PAA og CE:
Den filmdannende oppførselen til PAA og CE-er under LBL-montering ble undersøkt ved bruk av QCM og spektral interferometri. QCM er effektivt for å overvåke filmvekst in situ under de første monteringssyklusene. Spektralinterferometre er egnet for filmer dyrket over 10 sykluser.
HEC/PAA-filmen viste en lineær vekst gjennom LBL-monteringsprosessen, mens MC/PAA- og HPC/PAA-filmene viste en eksponentiell vekst i de tidlige stadiene av monteringen og deretter transformert til en lineær vekst. I den lineære vekstregionen, jo høyere grad av kompleksdannelse, desto større er tykkelsesveksten per monteringssyklus.
Effekt av løsningens pH på filmvekst:
pH-verdien til løsningen påvirker veksten av den hydrogenbundne polymerkomposittfilmen. Som en svak polyelektrolytt vil PAA bli ionisert og negativt ladet når pH i løsningen øker, og dermed hemme hydrogenbindingsassosiasjon. Når graden av ionisering av PAA nådde et visst nivå, kunne ikke PAA settes sammen til en film med hydrogenbindingsakseptorer i LBL.
Filmtykkelsen avtok med økningen av løsningens pH, og filmtykkelsen avtok plutselig ved pH 2,5 HPC/PAA og pH 3,0-3,5 HPC/PAA. Det kritiske punktet for HPC/PAA er ca. pH 3,5, mens det for HEC/PAA er ca. 3,0. Dette betyr at når pH i monteringsløsningen er høyere enn 3,5, kan ikke HPC/PAA-filmen dannes, og når pH i løsningen er høyere enn 3,0 kan ikke HEC/PAA-filmen dannes. På grunn av den høyere graden av hydrogenbindingskompleksering av HPC/PAA-membran, er den kritiske pH-verdien til HPC/PAA-membran høyere enn for HEC/PAA-membran. I saltfri løsning var de kritiske pH-verdiene til kompleksene dannet av HEC/PAA, MC/PAA og HPC/PAA henholdsvis ca. 2,9, 3,2 og 3,7. Den kritiske pH-verdien til HPC/PAA er høyere enn den til HEC/PAA, noe som stemmer overens med LBL-membranen.
Vannabsorpsjonsytelse for CE/PAA-membran:
CES er rik på hydroksylgrupper slik at den har god vannabsorpsjon og vannretensjon. Ved å ta HEC/PAA-membran som et eksempel, ble adsorpsjonskapasiteten til hydrogenbundet CE/PAA-membran til vann i miljøet studert. Karakterisert av spektral interferometri øker filmtykkelsen når filmen absorberer vann. Den ble plassert i et miljø med justerbar luftfuktighet ved 25°C i 24 timer for å oppnå vannabsorpsjonslikevekt. Filmene ble tørket i en vakuumovn (40 °C) i 24 timer for å fjerne fuktigheten fullstendig.
Når fuktigheten øker, tykner filmen. I området med lav luftfuktighet på 30%-50% er tykkelsesveksten relativt langsom. Når luftfuktigheten overstiger 50 %, vokser tykkelsen raskt. Sammenlignet med den hydrogenbundne PVPON/PAA-membranen, kan HEC/PAA-membranen absorbere mer vann fra miljøet. Under forhold med relativ fuktighet på 70 % (25 °C), er fortykningsområdet for PVPON/PAA-film omtrent 4 %, mens det for HEC/PAA-film er så høyt som omtrent 18 %. Resultatene viste at selv om en viss mengde OH-grupper i HEC/PAA-systemet deltok i dannelsen av hydrogenbindinger, var det fortsatt et betydelig antall OH-grupper som interagerte med vann i miljøet. Derfor har HEC/PAA-systemet gode vannabsorberende egenskaper.
avslutningsvis
(1) HPC/PAA-systemet med den høyeste hydrogenbindingsgraden av CE og PAA har den raskeste veksten blant dem, MC/PAA er i midten, og HEC/PAA er den laveste.
(2) HEC/PAA-filmen viste en lineær vekstmodus gjennom hele forberedelsesprosessen, mens de to andre filmene MC/PAA og HPC/PAA viste en eksponentiell vekst i de første syklusene, og deretter transformert til en lineær vekstmodus.
(3) Veksten av CE/PAA-film har en sterk avhengighet av løsningens pH. Når løsningens pH er høyere enn dets kritiske punkt, kan PAA og CE ikke settes sammen til en film. Den sammensatte CE/PAA-membranen var løselig i løsninger med høy pH.
(4) Siden CE/PAA-filmen er rik på OH og COOH, gjør varmebehandling den tverrbundet. Den tverrbundne CE/PAA-membranen har god stabilitet og er uløselig i løsninger med høy pH.
(5) CE/PAA-filmen har god adsorpsjonskapasitet for vann i miljøet.
Innleggstid: 18. februar 2023