Výskum
Ako prirodzený, hojný a obnoviteľný zdroj sa celulóza stretáva s veľkými výzvami v praktických aplikáciách vďaka nemelujúcim a obmedzeným vlastnostiam rozpustnosti. Vďaka vysokej kryštalinity a vodíkových väzbách s vysokou hustotou v štruktúre celulózy ju počas procesu držby degradujú, ale neroztaví sa a nerozpustné vo vode a väčšine organických rozpúšťadiel. Ich deriváty sú produkované esterifikáciou a étifikáciou hydroxylových skupín na anhydroglukózových jednotkách v polymérnom reťazci a vykazujú niektoré rôzne vlastnosti v porovnaní s prírodnou celulózou. Eterifikačná reakcia celulózy môže generovať mnoho éterov celulózy rozpustných vo vode, ako je metylcelulóza (MC), hydroxyetylcelulóza (HEC) a hydroxypropylová celulóza (HPC), ktoré sa vo forme, kozmetiku používajú vo farmaceutikách a medicíne. Vo vode rozpustné CE môže tvoriť vodíkové viazané polyméry s polykarboxylovými kyselinami a polyfenolmi.
Zostava vrstvy podľa vrstvy (LBL) je účinná metóda na prípravu tenkých filmov zložených polymérových kompozitov. Nasledujúce popisuje hlavne zostavenie LBL troch rôznych CES HEC, MC a HPC s PAA, porovnáva ich montážne správanie a analyzuje vplyv substituentov na zostavenie LBL. Preskúmajte vplyv pH na hrúbku filmu a rôzne rozdiely v formácii a rozpúšťaní filmu a vyvinú vlastnosti absorpcie vody CE/PAA.
Experimentálne materiály:
Kyselina polyakrylová (PAA, MW = 450 000). Viskozita 2WT% vodného roztoku hydroxyetylcelulózy (HEC) je 300 MPa -s a stupeň substitúcie je 2,5. Metylcelulóza (MC, 2WT% vodný roztok s viskozitou 400 MPa · s a stupeň substitúcie 1,8). Hydroxypropylová celulóza (HPC, vodný roztok 2WT% s viskozitou 400 MPa · s a stupeň substitúcie 2,5).
Filmová príprava:
Pripravený zostavou vrstvy kvapalného kryštálu na kremíku pri 25 ° C. Metóda ošetrenia sklznej matrice je nasledujúca: Namočte do kyslého roztoku (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/obj) počas 30 minút, potom niekoľkokrát opláchnite deionizovanou vodou, kým sa pH nestane neutrálne a nakoniec suchá čistým dusíkom. Zostava LBL sa vykonáva pomocou automatických strojov. Substrát bol striedavo nasiaknutý v roztoku CE (0,2 mg/ml) a roztoku PAA (0,2 mg/ml), pričom každý roztok sa namočil 4 minúty. Medzi každým roztokom nasiakli sa tri opláchnutia 1 minúta v deionizovanej vode, aby sa odstránil voľne pripojený polymér. Hodnoty pH roztoku zostavenia a vypláchnutia roztoku boli upravené na pH 2,0. Filmy, ktoré sú pripravené, sú označené ako (CE/PAA) n, kde n označuje zostavenie cyklu. (HEC/PAA) 40, (MC/PAA) 30 a (HPC/PAA) 30 sa pripravili hlavne.
Charakterizácia filmu:
Zaznamenali sa a analyzovali sa takmer normálne odrazivé spektrá optiky nanokalc-XR oceánu a merala sa hrúbka filmov uložených na kremíku. S prázdnym kremíkovým substrátom ako pozadím sa odobralo FT-IR spektrum tenkého filmu na kremíkovom substráte na infračervenom spektrometri Nicolet 8700.
Interakcie vodíkovej väzby medzi PAA a CES:
Zostavenie HEC, MC a HPC s PAA do filmov LBL. Infračervené spektrá HEC/PAA, MC/PAA a HPC/PAA sú znázornené na obrázku. Silné IR signály PAA a CES možno jasne pozorovať v IR spektrách HEC/PAA, MC/PAA a HPC/PAA. FT-IR spektroskopia môže analyzovať komplexáciu vodíkovej väzby medzi PAA a CES monitorovaním posunu charakteristických absorpčných pásov. Vodíková väzba medzi CES a PAA sa vyskytuje hlavne medzi hydroxylovým kyslíkom CES a skupinou COOH PAA. Po vytvorení vodíkovej väzby sa napínajúca maximálna červená posúva do smeru nízkej frekvencie.
Pre čistý prášok PAA bol pozorovaný vrchol 1710 cm-1. Keď bol polyakrylamid zostavený do filmov s rôznymi CES, vrcholy HEC/PAA, MC/PAA a MPC/PAA sa nachádzali pri 1718 cm-1, 1720 cm-1 a 1724 cm-1. V porovnaní s čistým práškom PAA sa špičkové dĺžky filmov HPC/PAA, MC/PAA a HEC/PAA posunuli o 14, 10 a 8 cm - 1. Vodíková väzba medzi éterovým kyslíkom a COOH prerušuje vodíkovú väzbu medzi skupinami COOH. Čím viac vodíkových väzieb sa vytvorilo medzi PAA a CE, tým väčší je maximálny posun CE/PAA v IR spektrách. HPC má najvyšší stupeň komplexácie vodíkovej väzby, PAA a MC sú v strede a HEC je najnižšia.
Rastové správanie kompozitných filmov PAA a CES:
Filmové správanie PAA a CES počas zostavy LBL sa skúmalo pomocou QCM a spektrálnej interferometrie. QCM je účinný na monitorovanie rastu filmu in situ počas prvých niekoľkých cyklov montáže. Spektrálne interferometre sú vhodné pre filmy pestované počas 10 cyklov.
Film HEC/PAA vykazoval lineárny rast počas procesu zostavy LBL, zatiaľ čo filmy MC/PAA a HPC/PAA vykazovali exponenciálny rast v počiatočných štádiách montáže a potom sa transformovali do lineárneho rastu. V oblasti lineárneho rastu, čím vyšší je stupeň komplexácie, tým väčší rast hrúbky na zostavenie cyklu.
Vplyv pH riešenia na rast filmu:
Hodnota pH roztoku ovplyvňuje rast kompozitného filmu viazaného na vodíkový polymér. Ako slabý polyelektrolyt bude PAA ionizovaný a negatívne nabitý so zvyšujúcim sa pH roztoku, čím bude inhibovať asociáciu vodíkových väzieb. Keď stupeň ionizácie PAA dosiahol určitú úroveň, PAA sa nemohla zhromaždiť do filmu s akceptormi vodíkových väzieb v LBL.
Hrúbka filmu sa znížila so zvýšením pH roztoku a hrúbka filmu sa náhle znížila pri PH2,5 HPC/PAA a PH3,0-3,5 HPC/PAA. Kritický bod HPC/PAA je približne pH 3,5, zatiaľ čo HEC/PAA je asi 3,0. To znamená, že keď je pH zostavovacieho roztoku vyššie ako 3,5, nie je možné vytvoriť film HPC/PAA a keď je pH roztoku vyššie ako 3,0, nie je možné vytvoriť film HEC/PAA. V dôsledku vyššieho stupňa komplexácie vodíkovej väzby HPC/PAA membrány je kritická hodnota pH membrány HPC/PAA vyššia ako v membráne HEC/PAA. V roztoku bez soli boli kritické hodnoty pH komplexov tvorené HEC/PAA, MC/PAA a HPC/PAA asi 2,9, 3,2 a 3,7. Kritické pH HPC/PAA je vyššie ako pH HEC/PAA, čo je v súlade s pH membrána LBL.
Výkon absorpcie vody CE/ PAA membrány:
CES je bohatá na hydroxylové skupiny, takže má dobrú absorpciu vody a zadržiavanie vody. Ako príklad berie membránu HEC/PAA, študovala sa adsorpčná kapacita membrány viazanej na vodík viazanú na vodu v prostredí v prostredí. Charakterizovaná spektrálnou interferometriou sa hrúbka filmu zvyšuje, keď film absorbuje vodu. Bola umiestnená v prostredí s nastaviteľnou vlhkosťou pri 25 ° C počas 24 hodín, aby sa dosiahla rovnováha absorpcie vody. Filmy boli sušené vo vákuovej peci (40 ° C) počas 24 hodín, aby sa úplne odstránila vlhkosť.
Ako sa vlhkosť zvyšuje, film zahusti. V oblasti s nízkou vlhkosťou 30%-50%je rast hrúbky relatívne pomalý. Keď vlhkosť prekročí 50%, hrúbka rýchlo rastie. V porovnaní s membránou PVPON/PAA viazaného na vodíkom môže membrána HEC/PAA absorbovať viac vody z prostredia. Pod podmienkou relatívnej vlhkosti 70%(25 ° C) je rozsah zhrubnutia filmu PVPON/PAA asi 4%, zatiaľ čo vo filme HEC/PAA je vysoký ako približne 18%. Výsledky ukázali, že hoci určité množstvo skupín OH v systéme HEC/PAA sa zúčastnilo na tvorbe vodíkových väzieb, stále existuje značný počet skupín OH, ktoré interagujú s vodou v životnom prostredí. Preto má systém HEC/PAA dobré vlastnosti absorpcie vody.
záver
(1) Systém HPC/PAA s najvyšším stupeňom vodíkovej väzby CE a PAA má medzi nimi najrýchlejší rast, MC/PAA je v strede a HEC/PAA je najnižší.
(2) Film HEC/PAA vykazoval počas procesu prípravy lineárny rastový režim, zatiaľ čo ďalšie dva filmy MC/PAA a HPC/PAA vykazovali exponenciálny rast v prvých niekoľkých cykloch a potom sa transformovali do lineárneho rastového režimu.
(3) Rast filmu CE/PAA má silnú závislosť od pH riešenia. Ak je pH roztoku vyššie ako jeho kritický bod, PAA a CE sa nemôžu zostaviť do filmu. Zostavená membrána CE/PAA bola rozpustná v roztokoch s vysokým pH.
(4) Pretože film CE/PAA je bohatý na OH a COOH, tepelné spracovanie ho spôsobuje zosieťovanie. Zosiahnutá membrána CE/PAA má dobrú stabilitu a je nerozpustná v roztokoch s vysokým pH.
(5) Film CE/PAA má dobrú adsorpčnú kapacitu vody v prostredí.
Čas príspevku: 18. február-2023