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 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 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 fuktighet 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.
for å konkludere
(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