Latar Belakang Kajian
Sebagai sumber semula jadi, banyak dan boleh diperbaharui, selulosa menghadapi cabaran besar dalam aplikasi praktikal kerana sifat tidak cair dan keterlarutannya yang terhad.Kehabluran tinggi dan ikatan hidrogen berketumpatan tinggi dalam struktur selulosa menjadikannya terdegradasi tetapi tidak cair semasa proses pemilikan, dan tidak larut dalam air dan kebanyakan pelarut organik.Terbitan mereka dihasilkan oleh pengesteran dan pengeteran kumpulan hidroksil pada unit anhidroglukosa dalam rantai polimer, dan akan mempamerkan beberapa sifat yang berbeza berbanding dengan selulosa semula jadi.Tindak balas pengeteran selulosa boleh menghasilkan banyak eter selulosa larut air, seperti metil selulosa (MC), selulosa hidroksietil (HEC) dan selulosa hidroksipropil (HPC), yang digunakan secara meluas dalam makanan, kosmetik, dalam farmaseutikal dan perubatan.CE larut air boleh membentuk polimer terikat hidrogen dengan asid polikarboksilik dan polifenol.
Pemasangan lapisan demi lapisan (LBL) ialah kaedah yang berkesan untuk menyediakan filem nipis komposit polimer.Perkara berikut terutamanya menerangkan pemasangan LBL bagi tiga CE berbeza HEC, MC dan HPC dengan PAA, membandingkan tingkah laku pemasangan mereka dan menganalisis pengaruh substituen pada pemasangan LBL.Menyiasat kesan pH pada ketebalan filem, dan perbezaan pH yang berbeza pada pembentukan dan pembubaran filem, dan membangunkan sifat penyerapan air CE/PAA.
Bahan Eksperimen:
Asid poliakrilik (PAA, Mw = 450,000).Kelikatan 2wt.% larutan akueus hidroksietilselulosa (HEC) ialah 300 mPa·s, dan darjah penggantian ialah 2.5.Metilselulosa (MC, larutan akueus 2wt.% dengan kelikatan 400 mPa·s dan tahap penggantian 1.8).Hydroxypropyl cellulose (HPC, larutan akueus 2wt.% dengan kelikatan 400 mPa·s dan tahap penggantian 2.5).
Penyediaan filem:
Disediakan dengan pemasangan lapisan kristal cecair pada silikon pada 25°C.Kaedah rawatan matriks slaid adalah seperti berikut: rendam dalam larutan berasid (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) selama 30min, kemudian bilas dengan air ternyahion beberapa kali sehingga pH menjadi neutral, dan akhirnya kering dengan nitrogen tulen.Pemasangan LBL dilakukan menggunakan jentera automatik.Substrat direndam secara bergantian dalam larutan CE (0.2 mg/mL) dan larutan PAA (0.2 mg/mL), setiap larutan direndam selama 4 minit.Tiga rendaman bilas selama 1 minit setiap satu dalam air ternyahion dilakukan di antara setiap rendaman larutan untuk mengeluarkan polimer yang terlekat longgar.Nilai pH larutan pemasangan dan larutan pembilasan kedua-duanya dilaraskan kepada pH 2.0.Filem yang disediakan ditandakan sebagai (CE/PAA)n, di mana n menandakan kitaran pemasangan.(HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 dan (HPC/PAA)30 telah disediakan terutamanya.
Perwatakan Filem:
Spektrum pemantulan hampir normal telah direkodkan dan dianalisis dengan NanoCalc-XR Ocean Optik, dan ketebalan filem yang didepositkan pada silikon diukur.Dengan substrat silikon kosong sebagai latar belakang, spektrum FT-IR bagi filem nipis pada substrat silikon telah dikumpulkan pada spektrometer inframerah Nicolet 8700.
Interaksi ikatan hidrogen antara PAA dan CE:
Pemasangan HEC, MC dan HPC dengan PAA ke dalam filem LBL.Spektrum inframerah HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA ditunjukkan dalam rajah.Isyarat IR kuat PAA dan CES boleh diperhatikan dengan jelas dalam spektrum IR HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA.Spektroskopi FT-IR boleh menganalisis kompleksasi ikatan hidrogen antara PAA dan CES dengan memantau peralihan jalur penyerapan ciri.Ikatan hidrogen antara CES dan PAA terutamanya berlaku antara oksigen hidroksil CES dan kumpulan COOH PAA.Selepas ikatan hidrogen terbentuk, puncak regangan merah beralih ke arah frekuensi rendah.
Puncak 1710 cm-1 telah diperhatikan untuk serbuk PAA tulen.Apabila poliakrilamida dipasang ke dalam filem dengan CE yang berbeza, puncak filem HEC/PAA, MC/PAA dan MPC/PAA masing-masing terletak pada 1718 cm-1, 1720 cm-1 dan 1724 cm-1.Berbanding dengan serbuk PAA tulen, panjang puncak filem HPC/PAA, MC/PAA dan HEC/PAA masing-masing beralih sebanyak 14, 10 dan 8 cm−1.Ikatan hidrogen antara oksigen eter dan COOH mengganggu ikatan hidrogen antara kumpulan COOH.Semakin banyak ikatan hidrogen yang terbentuk antara PAA dan CE, semakin besar anjakan puncak CE/PAA dalam spektrum IR.HPC mempunyai tahap pengkompleksan ikatan hidrogen tertinggi, PAA dan MC berada di tengah, dan HEC adalah yang terendah.
Tingkah laku pertumbuhan filem komposit PAA dan CE:
Tingkah laku pembentukan filem PAA dan CE semasa pemasangan LBL telah disiasat menggunakan QCM dan interferometri spektrum.QCM berkesan untuk memantau pertumbuhan filem in situ semasa beberapa kitaran pemasangan pertama.Interferometer spektrum sesuai untuk filem yang ditanam melebihi 10 kitaran.
Filem HEC/PAA menunjukkan pertumbuhan linear sepanjang proses pemasangan LBL, manakala filem MC/PAA dan HPC/PAA menunjukkan pertumbuhan eksponen pada peringkat awal pemasangan dan kemudian berubah menjadi pertumbuhan linear.Dalam kawasan pertumbuhan linear, semakin tinggi tahap kerumitan, semakin besar pertumbuhan ketebalan setiap kitaran pemasangan.
Kesan pH larutan ke atas pertumbuhan filem:
Nilai pH larutan mempengaruhi pertumbuhan filem komposit polimer terikat hidrogen.Sebagai polielektrolit lemah, PAA akan terion dan bercas negatif apabila pH larutan meningkat, dengan itu menghalang perkaitan ikatan hidrogen.Apabila tahap pengionan PAA mencapai tahap tertentu, PAA tidak dapat dipasang ke dalam filem dengan penerima ikatan hidrogen dalam LBL.
Ketebalan filem berkurangan dengan peningkatan pH larutan, dan ketebalan filem menurun secara tiba-tiba pada pH2.5 HPC/PAA dan pH3.0-3.5 HPC/PAA.Titik kritikal HPC/PAA adalah kira-kira pH 3.5, manakala HEC/PAA adalah kira-kira 3.0.Ini bermakna apabila pH larutan pemasangan lebih tinggi daripada 3.5, filem HPC/PAA tidak boleh dibentuk, dan apabila pH larutan lebih tinggi daripada 3.0, filem HEC/PAA tidak boleh dibentuk.Oleh kerana tahap pengkompleksan ikatan hidrogen membran HPC/PAA yang lebih tinggi, nilai pH kritikal membran HPC/PAA lebih tinggi daripada membran HEC/PAA.Dalam larutan bebas garam, nilai pH kritikal bagi kompleks yang dibentuk oleh HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA masing-masing adalah kira-kira 2.9, 3.2 dan 3.7.pH kritikal HPC/PAA adalah lebih tinggi daripada HEC/PAA, yang konsisten dengan membran LBL.
Prestasi penyerapan air membran CE/PAA:
CES kaya dengan kumpulan hidroksil supaya ia mempunyai penyerapan air dan pengekalan air yang baik.Mengambil membran HEC/PAA sebagai contoh, kapasiti penjerapan membran CE/PAA terikat hidrogen kepada air dalam persekitaran telah dikaji.Dicirikan oleh interferometri spektrum, ketebalan filem meningkat apabila filem menyerap air.Ia diletakkan dalam persekitaran dengan kelembapan boleh laras pada 25°C selama 24 jam untuk mencapai keseimbangan penyerapan air.Filem telah dikeringkan dalam ketuhar vakum (40 °C) selama 24 jam untuk mengeluarkan sepenuhnya lembapan.
Apabila kelembapan meningkat, filem menebal.Di kawasan kelembapan rendah 30%-50%, pertumbuhan ketebalan agak perlahan.Apabila kelembapan melebihi 50%, ketebalan tumbuh dengan cepat.Berbanding dengan membran PVPON/PAA terikat hidrogen, membran HEC/PAA boleh menyerap lebih banyak air daripada persekitaran.Di bawah keadaan kelembapan relatif 70% (25°C), julat penebalan filem PVPON/PAA adalah kira-kira 4%, manakala filem HEC/PAA setinggi kira-kira 18%.Keputusan menunjukkan bahawa walaupun sejumlah kumpulan OH dalam sistem HEC/PAA mengambil bahagian dalam pembentukan ikatan hidrogen, masih terdapat sejumlah besar kumpulan OH yang berinteraksi dengan air dalam persekitaran.Oleh itu, sistem HEC/PAA mempunyai sifat penyerapan air yang baik.
Kesimpulannya
(1) Sistem HPC/PAA dengan darjah ikatan hidrogen tertinggi bagi CE dan PAA mempunyai pertumbuhan terpantas antaranya, MC/PAA berada di tengah, dan HEC/PAA adalah yang paling rendah.
(2) Filem HEC/PAA menunjukkan mod pertumbuhan linear sepanjang proses penyediaan, manakala dua lagi filem MC/PAA dan HPC/PAA menunjukkan pertumbuhan eksponen dalam beberapa kitaran pertama, dan kemudian berubah menjadi mod pertumbuhan linear.
(3) Pertumbuhan filem CE/PAA mempunyai pergantungan yang kuat pada pH larutan.Apabila pH larutan lebih tinggi daripada titik kritikalnya, PAA dan CE tidak boleh berhimpun ke dalam filem.Membran CE/PAA yang dipasang larut dalam larutan pH tinggi.
(4) Oleh kerana filem CE/PAA kaya dengan OH dan COOH, rawatan haba menjadikannya berpaut silang.Membran CE/PAA berkait silang mempunyai kestabilan yang baik dan tidak larut dalam larutan pH tinggi.
(5) Filem CE/PAA mempunyai kapasiti penjerapan yang baik untuk air di persekitaran.
Masa siaran: Feb-18-2023