Фон даследаванняў
З'яўляючыся прыродным, багатым і аднаўляльным рэсурсам, цэлюлоза сутыкаецца з вялікімі праблемамі ў практычным прымяненні з-за яе неплаўлення і абмежаванай растваральнасці. Высокая кристалличность і высокая шчыльнасць вадародных сувязяў у структуры цэлюлозы робяць яе дэградаваць, але не плавіцца ў працэсе валодання, і нерастваральныя ў вадзе і большасці арганічных растваральнікаў. Іх вытворныя атрымліваюцца этэрыфікацыяй і этэрыфікацыяй гідраксільных груп ангідраглюкозных адзінак у палімерным ланцугу і будуць дэманстраваць некаторыя іншыя ўласцівасці ў параўнанні з натуральнай цэлюлозай. Рэакцыя этэрыфікацыі цэлюлозы можа генераваць мноства водарастваральных эфіраў цэлюлозы, такіх як метылавая цэлюлоза (MC), гідраксіэтылавая цэлюлоза (HEC) і гідраксіпрапілная цэлюлоза (HPC), якія шырока выкарыстоўваюцца ў прадуктах харчавання, касметыцы, фармацэўтыцы і медыцыне. Вадарастваральныя CE могуць утвараць палімеры з вадароднымі сувязямі з полікарбонавымі кіслотамі і поліфеноламі.
Паслойная зборка (LBL) з'яўляецца эфектыўным метадам для падрыхтоўкі палімерных кампазітных тонкіх плёнак. Далей у асноўным апісваецца зборка LBL трох розных CE HEC, MC і HPC з PAA, параўноўваюцца паводзіны пры зборцы і аналізуецца ўплыў замяшчальнікаў на зборку LBL. Даследуйце ўплыў pH на таўшчыню плёнкі і розныя адрозненні pH на адукацыю і растварэнне плёнкі, а таксама распрацуйце водапаглынальныя ўласцівасці CE/PAA.
Эксперыментальныя матэрыялы:
Поліакрылавая кіслата (PAA, Mw = 450 000). Глейкасць 2 мас.% воднага раствора гидроксиэтилцеллюлозы (ГЭЦ) складае 300 мПа·с, а ступень замяшчэння - 2,5. Метылцэлюлоза (МЦ, 2 мас.% водны раствор з глейкасцю 400 мПа·с і ступенню замяшчэння 1,8). Гидроксипропилцеллюлоза (ГПЦ, 2 мас.% водны раствор з глейкасцю 400 мПа·с і ступенню замяшчэння 2,5).
Падрыхтоўка фільма:
Атрымана мантажом вадкакрысталічнага пласта на крэмніі пры 25°C. Метад апрацоўкі матрыцы прадметнага шкла наступны: замачыць у кіслым растворы (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) на працягу 30 хвілін, затым некалькі разоў прамыць дэіянізаванай вадой, пакуль pH не стане нейтральным, і, нарэшце, высушыць чыстым азотам. Зборка LBL вырабляецца з дапамогай аўтаматычнага абсталявання. Субстрат па чарзе змочвалі растворам CE (0,2 мг/мл) і растворам ПАК (0,2 мг/мл), кожны раствор замочвалі на працягу 4 мін. Паміж кожным замочваннем у растворы былі праведзены тры прамыванні па 1 хвіліны кожнае ў дэіянізаванай вадзе, каб выдаліць слаба прымацаваны палімер. Значэнні pH зборачнага раствора і раствора для прамывання былі даведзены да pH 2,0. Падрыхтаваныя плёнкі пазначаюцца як (CE/PAA)n, дзе n абазначае цыкл зборкі. У асноўным былі падрыхтаваны (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 і (HPC/PAA)30.
Характарыстыка фільма:
Блізкія да нармальнага спектры адлюстравання былі запісаны і прааналізаваны з дапамогай NanoCalc-XR Ocean Optics, і была вымераная таўшчыня плёнак, нанесеных на крэмній. На пустой крэмніевай падкладцы ў якасці фону спектр FT-IR тонкай плёнкі на крамянёвай падкладцы быў сабраны на інфрачырвоным спектрометре Nicolet 8700.
Узаемадзеянне вадароднай сувязі паміж PAA і CE:
Зборка HEC, MC і HPC з PAA ў плёнкі LBL. Інфрачырвоныя спектры HEC/PAA, MC/PAA і HPC/PAA паказаны на малюнку. Моцныя ВК-сігналы PAA і CES можна выразна назіраць у ВК-спектрах HEC/PAA, MC/PAA і HPC/PAA. ІЧ-Фур'е-спектраскапія можа аналізаваць утварэнне комплексу вадароднай сувязі паміж PAA і CES, кантралюючы зрух характэрных палос паглынання. Вадародная сувязь паміж CES і PAA у асноўным адбываецца паміж гідраксільным кіслародам CES і групай COOH PAA. Пасля ўтварэння вадароднай сувязі чырвоны пік расцяжэння ссоўваецца ў нізкачашчынны кірунак.
Для чыстага парашка ПАК назіраўся пік 1710 см-1. Калі поліакрыламід быў сабраны ў плёнкі з рознымі CE, пікі плёнак HEC/PAA, MC/PAA і MPC/PAA знаходзіліся пры 1718 см-1, 1720 см-1 і 1724 см-1 адпаведна. У параўнанні з чыстым парашком ПАА даўжыні пікаў плёнак HPC/PAA, MC/PAA і HEC/PAA зрушыліся на 14, 10 і 8 см−1 адпаведна. Вадародная сувязь паміж кіслародам эфіру і СООН разрывае вадародную сувязь паміж групамі СООН. Чым больш вадародных сувязяў утвараецца паміж PAA і CE, тым большы зрух піку CE/PAA ў ВК-спектрах. HPC мае самую высокую ступень комплексавання вадароднай сувязі, PAA і MC знаходзяцца ў сярэдзіне, а HEC - самую нізкую.
Паводзіны росту кампазітных плёнак з ПАА і КЭ:
Паводзіны PAA і CE пры ўтварэнні плёнкі падчас зборкі LBL даследаваліся з дапамогай QCM і спектральнай інтэрфераметрыі. QCM эфектыўны для маніторынгу росту плёнкі на месцы на працягу першых некалькіх цыклаў зборкі. Спектральныя інтэрферометры падыходзяць для плёнак, вырашчаных на працягу 10 цыклаў.
Плёнка HEC/PAA дэманстравала лінейны рост на працягу ўсяго працэсу зборкі LBL, у той час як плёнкі MC/PAA і HPC/PAA дэманстравалі экспанентны рост на ранніх стадыях зборкі, а затым трансфармаваліся ў лінейны рост. У вобласці лінейнага росту, чым вышэй ступень комплексообразования, тым большы рост таўшчыні за цыкл зборкі.
Уплыў pH раствора на рост плёнкі:
Значэнне рн раствора ўплывае на рост плёнкі палімернага кампазіта з вадароднай сувяззю. Будучы слабым поліэлектралітам, ПАК будзе іянізаваны і зараджаны адмоўна па меры павелічэння рн раствора, тым самым перашкаджаючы асацыяцыі вадародных сувязяў. Калі ступень іянізацыі ПАА дасягнула пэўнага ўзроўню, ПАА не магла сабрацца ў плёнку з акцэптарамі вадароднай сувязі ў LBL.
Таўшчыня плёнкі памяншалася з павелічэннем pH раствора, і таўшчыня плёнкі раптоўна памяншалася пры pH2,5 HPC/PAA і pH3,0-3,5 HPC/PAA. Крытычная кропка HPC/PAA складае каля pH 3,5, а HEC/PAA - каля 3,0. Гэта азначае, што калі рн раствора зборкі вышэй за 3,5, плёнка HPC/PAA не можа быць сфарміравана, а калі рн раствора вышэй за 3,0, плёнка HEC/PAA не можа быць сфарміравана. З-за больш высокай ступені ўтварэння вадародных сувязей у мембране HPC/PAA крытычнае значэнне pH мембраны HPC/PAA вышэй, чым у мембраны HEC/PAA. У бессалявым растворы крытычныя значэнні pH комплексаў, утвораных HEC/PAA, MC/PAA і HPC/PAA, складалі каля 2,9, 3,2 і 3,7 адпаведна. Крытычны pH HPC/PAA вышэйшы, чым у HEC/PAA, што адпавядае рн мембраны LBL.
Прадукцыйнасць водапаглынання мембраны CE/PAA:
CES багаты гідраксільнымі групамі, так што ён мае добрае водапаглынанне і ўтрыманне вады. На прыкладзе мембраны HEC/PAA вывучалася адсарбцыйная здольнасць мембраны CE/PAA з вадароднай сувяззю да вады ў навакольным асяроддзі. Таўшчыня плёнкі, якая характарызуецца спектральнай інтэрфераметрыяй, павялічваецца па меры паглынання вадой. Яго змясцілі ў асяроддзе з рэгуляванай вільготнасцю пры тэмпературы 25°C на 24 гадзіны для дасягнення раўнавагі водапаглынання. Плёнкі сушылі ў вакуумнай печы (40 °C) на працягу 24 гадзін для поўнага выдалення вільгаці.
Па меры павышэння вільготнасці плёнка патаўшчаецца. У зоне з нізкай вільготнасцю 30%-50% рост таўшчыні адбываецца адносна павольна. Калі вільготнасць перавышае 50%, таўшчыня хутка расце. У параўнанні з мембранай PVPON/PAA з вадароднай сувяззю, мембрана HEC/PAA можа паглынаць больш вады з навакольнага асяроддзя. Ва ўмовах адноснай вільготнасці 70% (25°C) дыяпазон згушчэння плёнкі PVPON/PAA складае каля 4%, у той час як плёнкі HEC/PAA складае каля 18%. Вынікі паказалі, што хоць пэўная колькасць OH-груп у сістэме HEC/PAA ўдзельнічала ў адукацыі вадародных сувязяў, у навакольным асяроддзі ўсё яшчэ існуе значная колькасць OH-груп, якія ўзаемадзейнічаюць з вадой. Такім чынам, сістэма HEC/PAA валодае добрымі водапаглынальнымі ўласцівасцямі.
у заключэнне
(1) Сістэма HPC/PAA з самай высокай ступенню вадароднай сувязі CE і PAA мае самы хуткі рост сярод іх, MC/PAA знаходзіцца ў сярэдзіне, а HEC/PAA - самы нізкі.
(2) Плёнка HEC/PAA паказала лінейны рэжым росту на працягу ўсяго працэсу падрыхтоўкі, у той час як дзве іншыя плёнкі MC/PAA і HPC/PAA паказалі экспанентны рост у першыя некалькі цыклаў, а затым перайшлі ў рэжым лінейнага росту.
(3) Рост плёнкі CE/PAA моцна залежыць ад pH раствора. Калі рн раствора вышэй крытычнай кропкі, ПАА і СЕ не могуць сабрацца ў плёнку. Сабраная мембрана CE/PAA растваралася ў растворах з высокім pH.
(4) Паколькі плёнка CE/PAA багатая OH і COOH, тэрмічная апрацоўка робіць яе сшытай. Пашытая мембрана CE/PAA мае добрую стабільнасць і нерастваральная ў растворах з высокім pH.
(5) Плёнка CE/PAA мае добрую здольнасць адсарбцыі вады ў навакольным асяроддзі.
Час публікацыі: 18 лютага 2023 г