Uurimise taust
Loodusliku, rikkaliku ja taastuva ressursina puutub tselluloos oma mittesulava ja piiratud lahustuvuse tõttu kokku suurte väljakutsetega praktilistes rakendustes. Tselluloosi struktuuri kõrge kristallilisuse ja suure tihedusega vesiniksidemed muudavad selle omamisprotsessi käigus lagunevaks, kuid ei sulaks ning ei lahustu vees ja enamikus orgaanilistes lahustites. Nende derivaadid saadakse polümeeriahela anhüdroglükoosiühikute hüdroksüülrühmade esterdamisel ja eeterdamisel ning neil on loodusliku tselluloosiga võrreldes mõned erinevad omadused. Tselluloosi eeterdamisreaktsioon võib tekitada palju vees lahustuvaid tselluloosi eetreid, nagu metüültselluloos (MC), hüdroksüetüültselluloos (HEC) ja hüdroksüpropüültselluloos (HPC), mida kasutatakse laialdaselt toidus, kosmeetikas, ravimites ja meditsiinis. Vees lahustuv CE võib polükarboksüülhapete ja polüfenoolidega moodustada vesiniksidemetega polümeere.
Layer-by-layer assembly (LBL) on tõhus meetod polümeerkomposiitõhukeste kilede valmistamiseks. Järgnevalt kirjeldatakse peamiselt HEC, MC ja HPC kolme erineva CE-de LBL-i kokkupanekut PAA-ga, võrreldakse nende koostekäitumist ja analüüsitakse asendajate mõju LBL-i kokkupanekule. Uurige pH mõju kile paksusele ja pH erinevaid erinevusi kile moodustumisele ja lahustumisele ning arendage CE/PAA veeimavusomadusi.
Katsematerjalid:
Polüakrüülhape (PAA, Mw = 450 000). Hüdroksüetüültselluloosi (HEC) 2 massiprotsendilise vesilahuse viskoossus on 300 mPa·s ja asendusaste on 2,5. Metüültselluloos (MC, 2 massiprotsendiline vesilahus viskoossusega 400 mPa·s ja asendusastmega 1,8). Hüdroksüpropüültselluloos (HPC, 2 massiprotsendiline vesilahus viskoossusega 400 mPa·s ja asendusastmega 2,5).
Filmi ettevalmistamine:
Valmistatud vedelkristallkihi paigaldamisega ränile temperatuuril 25 °C. Objektiklaasi maatriksi töötlemismeetod on järgmine: leotada happelises lahuses (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 min, seejärel loputada mitu korda deioniseeritud veega, kuni pH muutub neutraalseks ja lõpuks kuivatada puhta lämmastikuga. LBL-i kokkupanek toimub automaatsete masinate abil. Substraati leotati vaheldumisi CE lahuses (0,2 mg/ml) ja PAA lahuses (0,2 mg/ml), iga lahust leotati 4 minutit. Lahti kinnitunud polümeeri eemaldamiseks viidi iga lahusega leotamise vahel läbi kolm 1-minutilist loputamist deioniseeritud vees. Koostamislahuse ja loputuslahuse pH väärtused viidi mõlemad 2,0-ni. Valmistatud kiled on tähistatud kui (CE/PAA)n, kus n tähistab montaažitsüklit. Peamiselt valmistati (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 ja (HPC/PAA)30.
Filmi iseloomustus:
Peaaegu normaalsed peegeldusspektrid registreeriti ja analüüsiti NanoCalc-XR Ocean Opticsiga ning mõõdeti ränile kantud kilede paksust. Kui taustaks oli tühi ränisubstraat, koguti ränisubstraadi õhukese kile FT-IR spekter Nicolet 8700 infrapunaspektromeetriga.
Vesiniksidemete vastasmõju PAA ja CE vahel:
HEC, MC ja HPC kokkupanek PAA-ga LBL-kiledeks. HEC/PAA, MC/PAA ja HPC/PAA infrapunaspektrid on näidatud joonisel. PAA ja CES tugevaid IR-signaale saab selgelt jälgida HEC/PAA, MC/PAA ja HPC/PAA IR-spektrites. FT-IR spektroskoopia abil saab analüüsida vesiniksideme kompleksi moodustumist PAA ja CES vahel, jälgides iseloomulike neeldumisribade nihet. Vesinikside CES-i ja PAA vahel toimub peamiselt CES-i hüdroksüülhapniku ja PAA COOH-rühma vahel. Pärast vesiniksideme moodustumist nihkub venituspiik punane madala sagedusega suunda.
Puhta PAA pulbri puhul täheldati piiki 1710 cm-1. Kui polüakrüülamiid pandi kokku erinevate CE-dega kiledeks, paiknesid HEC / PAA, MC / PAA ja MPC / PAA kilede piigid vastavalt 1718 cm-1, 1720 cm-1 ja 1724 cm-1. Võrreldes puhta PAA pulbriga, nihkusid HPC / PAA, MC / PAA ja HEC / PAA kilede piikide pikkused vastavalt 14, 10 ja 8 cm-1 võrra. Vesinikside eetri hapniku ja COOH vahel katkestab vesiniksideme COOH rühmade vahel. Mida rohkem vesiniksidemeid PAA ja CE vahel moodustub, seda suurem on CE/PAA tipunihe IR-spektrites. HPC on kõrgeima vesiniksideme kompleksi moodustumisega, PAA ja MC on keskel ning HEC on madalaim.
PAA ja CE komposiitkilede kasvukäitumine:
PAA ja CE-de kilet moodustavat käitumist LBL-i kokkupaneku ajal uuriti QCM-i ja spektraalse interferomeetria abil. QCM on efektiivne kile kasvu kohapeal jälgimiseks esimeste montaažitsüklite jooksul. Spektraalsed interferomeetrid sobivad kiledele, mida kasvatatakse üle 10 tsükli.
HEC / PAA kile näitas lineaarset kasvu kogu LBL-i montaažiprotsessi vältel, samas kui MC / PAA ja HPC / PAA kile näitasid eksponentsiaalset kasvu kokkupaneku varases staadiumis ja muutusid seejärel lineaarseks kasvuks. Lineaarse kasvu piirkonnas, mida kõrgem on kompleksi moodustumise aste, seda suurem on paksuse kasv koostetsükli kohta.
Lahuse pH mõju kile kasvule:
Lahuse pH väärtus mõjutab vesiniksidemega polümeerkomposiitkile kasvu. Nõrga polüelektrolüüdina PAA ioniseerub ja laetakse negatiivselt, kui lahuse pH tõuseb, inhibeerides seeläbi vesiniksideme seost. Kui PAA ionisatsiooniaste saavutas teatud taseme, ei saanud PAA LBL-is vesiniksideme aktseptoritega kileks kokku panna.
Kile paksus vähenes lahuse pH tõusuga ja kile paksus vähenes järsult pH 2,5 HPC/PAA ja pH 3,0-3,5 HPC/PAA juures. HPC/PAA kriitiline punkt on umbes pH 3,5, samas kui HEC/PAA kriitiline punkt on umbes 3,0. See tähendab, et kui montaažilahuse pH on kõrgem kui 3,5, ei saa tekkida HPC/PAA kilet ja kui lahuse pH on kõrgem kui 3,0, ei saa tekkida HEC/PAA kilet. HPC/PAA membraani suurema vesiniksideme kompleksi moodustumise tõttu on HPC/PAA membraani kriitiline pH väärtus kõrgem kui HEC/PAA membraanil. Soolavabas lahuses olid HEC/PAA, MC/PAA ja HPC/PAA moodustatud komplekside kriitilised pH väärtused vastavalt ligikaudu 2,9, 3,2 ja 3,7. HPC / PAA kriitiline pH on kõrgem kui HEC / PAA, mis on kooskõlas LBL membraani omaga.
CE/PAA membraani veeimavus:
CES on rikas hüdroksüülrühmade poolest, nii et sellel on hea veeimavus ja veepeetus. Võttes näiteks HEC/PAA membraani, uuriti vesiniksidemega CE/PAA membraani adsorptsioonivõimet keskkonnas vette. Spektraalse interferomeetria järgi kile paksus suureneb, kui kile neelab vett. Veeimavuse tasakaalu saavutamiseks pandi see 24 tunniks reguleeritava niiskusega keskkonda temperatuuril 25 °C. Kilesid kuivatati vaakumahjus (40 °C) 24 tundi niiskuse täielikuks eemaldamiseks.
Niiskuse suurenedes kile pakseneb. Madala õhuniiskusega alal 30%-50% on paksuse kasv suhteliselt aeglane. Kui õhuniiskus ületab 50%, kasvab paksus kiiresti. Võrreldes vesiniksidemega PVPON/PAA membraaniga suudab HEC/PAA membraan imada keskkonnast rohkem vett. Suhtelise õhuniiskuse 70% (25 °C) tingimustes on PVPON/PAA kile paksenemisvahemik umbes 4%, HEC/PAA kile aga umbes 18%. Tulemused näitasid, et kuigi HEC/PAA süsteemis osales teatud hulk OH-rühmi vesiniksidemete moodustumisel, oli keskkonnas siiski arvestatav hulk veega interakteeruvaid OH-rühmi. Seetõttu on HEC/PAA süsteemil head veeimamisomadused.
kokkuvõtteks
(1) HPC/PAA süsteem, millel on kõrgeim CE ja PAA vesiniksideme aste, on nende seas kõige kiiremini kasvanud, MC/PAA on keskel ja HEC/PAA madalaim.
(2) HEC/PAA kile näitas lineaarset kasvurežiimi kogu ettevalmistusprotsessi vältel, samas kui ülejäänud kaks kilet MC/PAA ja HPC/PAA näitasid esimeste tsüklite jooksul eksponentsiaalset kasvu ja seejärel muutusid lineaarseks kasvurežiimiks.
(3) CE/PAA kile kasv sõltub tugevalt lahuse pH-st. Kui lahuse pH on kriitilisest punktist kõrgem, ei saa PAA ja CE kileks kokku koguda. Kokkupandud CE / PAA membraan lahustus kõrge pH-ga lahustes.
(4) Kuna CE/PAA kile on rikas OH ja COOH poolest, muudab kuumtöötlus selle ristseotuks. Ristseotud CE/PAA membraanil on hea stabiilsus ja see ei lahustu kõrge pH-ga lahustes.
(5) CE/PAA kilel on hea keskkonnas oleva vee adsorptsioonivõime.
Postitusaeg: 18.02.2023