Forskningsbakgrunn
Som en naturlig, rikelig og fornybar ressurs, møter cellulose store utfordringer i praktiske anvendelser på grunn av dens ikke-smelte og begrensede løselighetsegenskaper. Den høye krystalliniteten og hydrogenbindingene med høy tetthet i cellulosestrukturen får den til å nedbryte, men ikke smelte under besittelsesprosessen, og uoppløselig i vann og de fleste organiske løsningsmidler. Deres derivater er produsert ved forestring og eterifisering av hydroksylgruppene på anhydroglukoseenhetene i polymerkjeden, og vil utvise noen forskjellige egenskaper sammenlignet med naturlig cellulose. Etherification-reaksjonen av cellulose kan generere mange vannoppløselige celluloseetere, så som metylcellulose (MC), hydroksyetylcellulose (HEC) og hydroxypropylcellulose (HPC), som er mye brukt i mat, kosmetikk, i legemidler og medisin. Vannløselig CE kan danne hydrogenbundne polymerer med polykarboksylsyrer og polyfenoler.
Lag-for-lags montering (LBL) er en effektiv metode for å fremstille polymerkompositt tynne filmer. Følgende beskriver hovedsakelig LBL -montering av tre forskjellige CES av HEC, MC og HPC med PAA, sammenligner deres monteringsatferd, og analyserer påvirkning av substituenter på LBL -montering. Undersøk effekten av pH på filmtykkelse, og de forskjellige forskjellene i pH på filmdannelse og oppløsning, og utvikle vannabsorpsjonsegenskapene til CE/PAA.
Eksperimentelle materialer:
Polyakrylsyre (PAA, MW = 450 000). Viskositeten til 2wt% vandig løsning av hydroksyetylcellulose (HEC) er 300 MPa · s, og substitusjonsgraden er 2,5. Metylcellulose (MC, en 2wt% vandig løsning med en viskositet på 400 MPa · s og en grad av substitusjon på 1,8). Hydroksypropylcellulose (HPC, en 2wt% vandig løsning med en viskositet på 400 MPa · s og en grad av substitusjon på 2,5).
Filmforberedelse:
Fremstilt ved flytende krystalllag montering på silisium ved 25 ° C. Behandlingsmetoden til glidematrisen er som følger: Soak i sur løsning (H2SO4/H2O2, 7/3vol/volum) i 30 minutter, skyll deretter med avionisert vann flere ganger til pH blir nøytralt, og til slutt tørr med rent nitrogen. LBL -montering utføres ved hjelp av automatiske maskiner. Substratet ble vekselvis gjennomvåt i CE -løsning (0,2 mg/ml) og PAA -løsning (0,2 mg/ml), hver løsning ble gjennomvåt i 4 minutter. Tre skyll soaks på 1 min hver i avionisert vann ble utført mellom hver løsning suge for å fjerne løst festet polymer. PH -verdiene for monteringsløsningen og skyllingsløsningen ble begge justert til pH 2,0. De opparbeidede filmene er betegnet som (CE/PAA) N, der N betegner monteringssyklusen. (HEC/PAA) 40, (MC/PAA) 30 og (HPC/PAA) 30 ble hovedsakelig forberedt.
Filmkarakterisering:
Nær normale refleksjonsspektre ble registrert og analysert med nanocalc-xr havoptikk, og tykkelsen på 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 CES:
Montering av HEC, MC og HPC med PAA i LBL -filmer. Det infrarøde spektre for HEC/PAA, MC/PAA og HPC/PAA er vist på figuren. De sterke IR -signalene til PAA og CES kan tydelig observeres i IR -spektra av HEC/PAA, MC/PAA og HPC/PAA. FT-IR-spektroskopi kan analysere hydrogenbindingskompleksasjonen 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 av PAA. Etter at hydrogenbindingen er dannet, skifter den strekkende topprøde røde til lavfrekvensretningen.
En topp på 1710 cm-1 ble observert for rent PAA-pulver. Da polyakrylamid ble satt sammen i filmer med forskjellige CES, var toppene til HEC/PAA, MC/PAA og MPC/PAA-filmer lokalisert ved henholdsvis 1718 cm-1, 1720 cm-1 og 1724 cm-1. Sammenlignet med rent PAA -pulver, skiftet topplengdene til HPC/PAA, MC/PAA og HEC/PAA -filmer med henholdsvis 14, 10 og 8 cm - 1. Hydrogenbindingen mellom eterens oksygen og COOH avbryter hydrogenbindingen mellom COOH -gruppene. Jo mer hydrogenbindinger dannet mellom PAA og CE, desto større er toppskiftet av CE/PAA i IR -spektre. HPC har den høyeste graden av hydrogenbindingskompleksering, PAA og MC er i midten, og HEC er den laveste.
Vekstatferd av sammensatte filmer av PAA og CES:
Den filmdannende oppførselen til PAA og CES under LBL-montering ble undersøkt ved bruk av QCM og spektral interferometri. QCM er effektiv for å overvåke filmvekst i situ under de første monteringssyklusene. Spektrale interferometre 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 montering og deretter forvandlet til en lineær vekst. I den lineære vekstregionen, jo høyere komplekseringsgrad, desto større er tykkelsesveksten per monteringssyklus.
Effekt av PH på filmvekst:
PH -verdien av 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 hemmer hydrogenbindingsforeningen. Da graden av ionisering av PAA nådde et visst nivå, kunne PAA ikke samles inn i en film med hydrogenbindingsakseptorer i LBL.
Filmtykkelsen avtok med økningen av pH, og filmtykkelsen avtok plutselig ved pH2,5 HPC/PAA og PH3,0-3,5 HPC/PAA. Det kritiske punktet for HPC/PAA er omtrent pH 3,5, mens det for HEC/PAA er omtrent 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 av HPC/PAA -membran høyere enn for HEC/PAA -membran. I saltfri løsning var de kritiske pH-verdiene for kompleksene dannet av HEC/PAA, MC/PAA og HPC/PAA henholdsvis 2,9, 3,2 og 3,7. Den kritiske pH for HPC/PAA er høyere enn for HEC/PAA, noe som er i samsvar med LBL -membranen.
Vannabsorpsjonsytelse av CE/ PAA -membran:
CES er rik på hydroksylgrupper slik at den har god vannabsorpsjon og vannretensjon. Å ta HEC/PAA-membran som eksempel, ble adsorpsjonskapasiteten til hydrogenbundet CE/PAA-membran til vann i miljøet studert. Karakterisert ved spektral interferometri øker filmtykkelsen når filmen absorberer vann. Det ble plassert i et miljø med justerbar luftfuktighet ved 25 ° C i 24 timer for å oppnå vannabsorpsjon likevekt. Filmene ble tørket i en vakuumovn (40 ° C) i 24 timer for å fjerne fuktigheten fullstendig.
Når fuktigheten øker, tykner filmen. I det lave fuktighetsområdet på 30%-50%er tykkelsesveksten relativt treg. Når fuktigheten overstiger 50%, vokser tykkelsen raskt. Sammenlignet med den hydrogenbundne PVPON/PAA-membranen, kan HEC/PAA-membranen absorbere mer vann fra miljøet. Under betingelse av relativ fuktighet på 70%(25 ° C) er det tykningsområdet for PVPON/PAA -film omtrent 4%, mens HEC/PAA -filmen er så høy som omtrent 18%. Resultatene viste at selv om en viss mengde OH -grupper i HEC/PAA -systemet deltok i dannelsen av hydrogenbindinger, var det fremdeles et betydelig antall OH -grupper som samhandlet med vann i miljøet. Derfor har HEC/PAA -systemet gode vannabsorpsjonsegenskaper.
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 få syklusene, og deretter forvandlet til en lineær vekstmodus.
(3) Veksten av CE/PAA -film har en sterk avhengighet av PH. Når løsningen er høyere enn dets kritiske punkt, kan ikke PAA og CE samles i en film. Den samlede CE/PAA -membranen var oppløselig i høye pH -løsninger.
(4) Siden CE/PAA-filmen er rik på OH og COOH, gjør varmebehandlingen den tverrbundet. Den tverrbundne CE/PAA-membranen har god stabilitet og er uoppløselig i høye pH-løsninger.
(5) CE/PAA -filmen har god adsorpsjonskapasitet for vann i miljøet.
Post Time: Feb-18-2023