Tutkimuksen tausta
Luonnollisena, runsaana ja uusiutuvana luonnonvarana selluloosa kohtaa suuria haasteita käytännön sovelluksissa sen sulamattomuuden ja rajallisten liukoisuusominaisuuksiensa vuoksi.Selluloosarakenteen korkea kiteisyys ja tiheät vetysidokset saavat sen hajoamaan, mutta eivät sulamaan hallussapitoprosessin aikana, ja liukenemattomia veteen ja useimpiin orgaanisiin liuottimiin.Niiden johdannaiset tuotetaan esteröimällä ja eetteröimällä hydroksyyliryhmiä polymeeriketjun anhydroglukoosiyksiköissä, ja niillä on joitain erilaisia ominaisuuksia verrattuna luonnolliseen selluloosaan.Selluloosan eetteröintireaktio voi tuottaa monia vesiliukoisia selluloosaeettereitä, kuten metyyliselluloosaa (MC), hydroksietyyliselluloosaa (HEC) ja hydroksipropyyliselluloosaa (HPC), joita käytetään laajasti elintarvikkeissa, kosmetiikassa, lääkkeissä ja lääketieteessä.Vesiliukoinen CE voi muodostaa vetysidoksisia polymeerejä polykarboksyylihappojen ja polyfenolien kanssa.
Layer-by-layer -kokoonpano (LBL) on tehokas menetelmä polymeerikomposiittiohutkalvojen valmistukseen.Seuraavassa kuvataan pääasiassa kolmen eri HEC:n, MC:n ja HPC:n LBL-kokoonpanoa PAA:n kanssa, verrataan niiden kokoonpanokäyttäytymistä ja analysoidaan substituenttien vaikutusta LBL-kokoonpanoon.Tutki pH:n vaikutusta kalvon paksuuteen ja pH:n erilaisia eroja kalvon muodostumiseen ja liukenemiseen sekä kehitä CE/PAA:n vedenabsorptio-ominaisuuksia.
Kokeellinen materiaali:
Polyakryylihappo (PAA, Mw = 450 000).Hydroksietyyliselluloosan (HEC) 2-painoprosenttisen vesiliuoksen viskositeetti on 300 mPa·s ja substituutioaste on 2,5.Metyyliselluloosa (MC, 2-painoprosenttinen vesiliuos, jonka viskositeetti on 400 mPa·s ja substituutioaste 1,8).Hydroksipropyyliselluloosa (HPC, 2-painoprosenttinen vesiliuos, jonka viskositeetti on 400 mPa·s ja substituutioaste 2,5).
Elokuvan valmistelu:
Valmistettu nestekidekerroskokoonpanolla piille 25 °C:ssa.Objektilasimatriisin käsittelymenetelmä on seuraava: liota happamassa liuoksessa (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 min, huuhtele sitten deionisoidulla vedellä useita kertoja, kunnes pH muuttuu neutraaliksi, ja lopuksi kuivaa puhtaalla typellä.LBL-kokoonpano suoritetaan automaattisilla koneilla.Substraattia liotettiin vuorotellen CE-liuoksessa (0,2 mg/ml) ja PAA-liuoksessa (0,2 mg/ml), kutakin liuosta liotettiin 4 minuuttia.Jokaisen liuosliotuksen välillä suoritettiin kolme 1 minuutin huuhteluliotusta deionisoidussa vedessä löyhästi kiinnittyneen polymeerin poistamiseksi.Kokoamisliuoksen ja huuhteluliuoksen pH-arvot säädettiin molemmat arvoon 2,0.Valmistetut kalvot on merkitty (CE/PAA)n:llä, missä n tarkoittaa kokoonpanojaksoa.(HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 ja (HPC/PAA)30 valmistettiin pääasiassa.
Elokuvan luonnehdinta:
Lähes normaalit heijastusspektrit tallennettiin ja analysoitiin NanoCalc-XR Ocean Opticsilla, ja piin päälle kerrostuneiden kalvojen paksuus mitattiin.Nolla piisubstraatti taustana, piisubstraatin ohuen kalvon FT-IR-spektri kerättiin Nicolet 8700 -infrapunaspektrometrillä.
Vetysidosvuorovaikutukset PAA:n ja CE:iden välillä:
HEC:n, MC:n ja HPC:n kokoaminen PAA:lla LBL-kalvoiksi.HEC/PAA:n, MC/PAA:n ja HPC/PAA:n infrapunaspektrit on esitetty kuvassa.PAA:n ja CES:n voimakkaat IR-signaalit ovat selvästi havaittavissa HEC/PAA:n, MC/PAA:n ja HPC/PAA:n IR-spektreissä.FT-IR-spektroskopia voi analysoida vetysidoskompleksoitumista PAA:n ja CES:n välillä tarkkailemalla tunnusomaisten absorptiovyöhykkeiden siirtymää.Vetysidos CES:n ja PAA:n välillä tapahtuu pääasiassa CES:n hydroksyylihapen ja PAA:n COOH-ryhmän välillä.Vetysidoksen muodostumisen jälkeen venytyshuippu punainen siirtyy matalataajuiseen suuntaan.
Huippu 1710 cm-1 havaittiin puhtaalle PAA-jauheelle.Kun polyakryyliamidi koottiin kalvoiksi, joissa oli eri CE:t, HEC/PAA-, MC/PAA- ja MPC/PAA-kalvojen huiput sijaitsivat 1718 cm-1, 1720 cm-1 ja 1724 cm-1 vastaavasti.Verrattuna puhtaaseen PAA-jauheeseen HPC/PAA-, MC/PAA- ja HEC/PAA-kalvojen piikinpituudet siirtyivät 14, 10 ja 8 cm−1, vastaavasti.Vetysidos eetterin hapen ja COOH:n välillä katkaisee COOH-ryhmien välisen vetysidoksen.Mitä enemmän vetysidoksia muodostuu PAA:n ja CE:n välille, sitä suurempi on CE/PAA:n huippusiirtymä IR-spektreissä.HPC:llä on korkein vetysidoskompleksoitumisaste, PAA ja MC ovat keskellä ja HEC on alhaisin.
PAA- ja CE-komposiittikalvojen kasvukäyttäytyminen:
PAA:n ja CE:n kalvonmuodostuskäyttäytymistä LBL-kokoonpanon aikana tutkittiin käyttämällä QCM:ää ja spektriinterferometriaa.QCM on tehokas kalvon kasvun seuraamiseen in situ muutaman ensimmäisen kokoonpanojakson aikana.Spektriinterferometrit soveltuvat kalvoille, joita on kasvatettu yli 10 sykliä.
HEC/PAA-kalvo osoitti lineaarista kasvua koko LBL-kokoonpanoprosessin ajan, kun taas MC/PAA- ja HPC/PAA-kalvot osoittivat eksponentiaalista kasvua kokoonpanon alkuvaiheissa ja muuttuivat sitten lineaariseksi kasvuksi.Lineaarisella kasvualueella mitä korkeampi kompleksoitumisaste on, sitä suurempi paksuuden kasvu kokoamisjaksoa kohti.
Liuoksen pH:n vaikutus kalvon kasvuun:
Liuoksen pH-arvo vaikuttaa vetysidotun polymeerikomposiittikalvon kasvuun.Heikkona polyelektrolyyttinä PAA ionisoituu ja varautuu negatiivisesti liuoksen pH:n noustessa, mikä estää vetysidosassosiaatiota.Kun PAA:n ionisaatioaste saavutti tietyn tason, PAA ei voinut koota kalvoksi, jossa oli vetysidosakseptoreita LBL:ssä.
Kalvon paksuus pieneni liuoksen pH:n noustessa, ja kalvon paksuus pieneni äkillisesti pH:ssa 2,5 HPC/PAA ja pH 3,0 - 3,5 HPC/PAA.HPC/PAA:n kriittinen piste on noin pH 3,5, kun taas HEC/PAA:n kriittinen piste on noin 3,0.Tämä tarkoittaa, että kun kokoonpanoliuoksen pH on korkeampi kuin 3,5, HPC/PAA-kalvoa ei voida muodostaa, ja kun liuoksen pH on korkeampi kuin 3,0, HEC/PAA-kalvoa ei voida muodostaa.HPC/PAA-kalvon vetysidoskompleksoitumisasteesta johtuen HPC/PAA-kalvon kriittinen pH-arvo on korkeampi kuin HEC/PAA-kalvon.Suolattomassa liuoksessa HEC/PAA:n, MC/PAA:n ja HPC/PAA:n muodostamien kompleksien kriittiset pH-arvot olivat noin 2,9, 3,2 ja 3,7.HPC/PAA:n kriittinen pH on korkeampi kuin HEC/PAA:n, mikä on yhdenmukainen LBL-kalvon pH:n kanssa.
CE/PAA-kalvon vedenabsorptiokyky:
CES on runsaasti hydroksyyliryhmiä, joten sillä on hyvä veden imeytyminen ja vedenpidätyskyky.Esimerkkinä HEC/PAA-kalvosta tutkittiin vetysidoksisen CE/PAA-kalvon adsorptiokykyä ympäristön veteen.Spektriinterferometrian ominaispiirteenä kalvon paksuus kasvaa, kun kalvo imee vettä.Se asetettiin ympäristöön, jossa oli säädettävä kosteus 25 °C:ssa 24 tunniksi veden imeytymistasapainon saavuttamiseksi.Kalvoja kuivattiin tyhjiöuunissa (40 °C) 24 tuntia kosteuden poistamiseksi kokonaan.
Kosteuden kasvaessa kalvo paksunee.Alhaisella 30-50 % kosteudella paksuuden kasvu on suhteellisen hidasta.Kun kosteus ylittää 50 %, paksuus kasvaa nopeasti.Vetysidottuun PVPON/PAA-kalvoon verrattuna HEC/PAA-kalvo voi imeä enemmän vettä ympäristöstä.Suhteellisessa kosteudessa 70 % (25°C) PVPON/PAA-kalvon paksuusalue on noin 4 %, kun taas HEC/PAA-kalvon paksuusalue on jopa noin 18 %.Tulokset osoittivat, että vaikka tietty määrä HEC/PAA-järjestelmän OH-ryhmiä osallistui vetysidosten muodostukseen, ympäristössä oli silti huomattava määrä OH-ryhmiä vuorovaikutuksessa veden kanssa.Siksi HEC/PAA-järjestelmällä on hyvät vedenabsorptio-ominaisuudet.
tiivistettynä
(1) HPC/PAA-järjestelmä, jolla on korkein vetysidosaste CE ja PAA, kasvaa nopeimmin, MC/PAA on keskellä ja HEC/PAA on alhaisin.
(2) HEC/PAA-kalvo osoitti lineaarista kasvua koko valmistusprosessin ajan, kun taas kaksi muuta kalvoa MC/PAA ja HPC/PAA osoittivat eksponentiaalista kasvua muutaman ensimmäisen syklin aikana, ja sitten ne muuttuivat lineaariseen kasvutilaan.
(3) CE/PAA-kalvon kasvu on vahvasti riippuvainen liuoksen pH:sta.Kun liuoksen pH on korkeampi kuin sen kriittinen piste, PAA ja CE eivät voi kokoontua kalvoksi.Koottu CE/PAA-kalvo liukeni korkean pH:n liuoksiin.
(4) Koska CE/PAA-kalvossa on runsaasti OH:ta ja COOH:ta, lämpökäsittely tekee siitä silloitettua.Silloitetulla CE/PAA-kalvolla on hyvä stabiilisuus ja se ei liukene korkean pH:n liuoksiin.
(5) CE/PAA-kalvolla on hyvä adsorptiokyky vettä ympäristöön.
Postitusaika: 18.2.2023