सेल्युलोज ईथर/पोलीएक्रिलिक एसिड हाइड्रोजन बन्धन फिल्म

अनुसन्धान पृष्ठभूमि

प्राकृतिक, प्रचुर मात्रामा र नवीकरणीय स्रोतको रूपमा, सेल्युलोजले यसको गैर-पघ्ने र सीमित घुलनशीलता गुणहरूको कारणले व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूमा ठूलो चुनौतीहरूको सामना गर्दछ। सेल्युलोज संरचनामा उच्च क्रिस्टलीयता र उच्च-घनत्व हाइड्रोजन बन्डहरूले यसलाई कमजोर बनाउँछ तर कब्जा प्रक्रियाको क्रममा पग्लिँदैन, र पानी र धेरै जैविक सॉल्भेन्टहरूमा अघुलनशील हुन्छ। तिनीहरूका डेरिभेटिभहरू पोलिमर चेनमा एनहाइड्रोग्लुकोज एकाइहरूमा हाइड्रोक्सिल समूहहरूको एस्टेरिफिकेशन र ईथरिफिकेशनद्वारा उत्पादन गरिन्छ, र प्राकृतिक सेलुलोजको तुलनामा केही फरक गुणहरू प्रदर्शन गर्दछ। सेल्युलोजको इथरिफिकेशन प्रतिक्रियाले धेरै पानीमा घुलनशील सेलुलोज ईथरहरू उत्पन्न गर्न सक्छ, जस्तै मिथाइल सेलुलोज (MC), हाइड्रोक्साइथाइल सेलुलोज (HEC) र हाइड्रोक्साइप्रोपाइल सेलुलोज (HPC), जुन व्यापक रूपमा खाना, सौन्दर्य प्रसाधन, औषधि र औषधिमा प्रयोग गरिन्छ। पानीमा घुलनशील सीईले हाइड्रोजन-बन्डेड पोलिमरहरू polycarboxylic एसिड र polyphenols बनाउन सक्छ।

लेयर-बाइ-लेयर असेंबली (LBL) पोलिमर कम्पोजिट पातलो फिल्महरू तयार गर्नको लागि एक प्रभावकारी विधि हो। निम्नले मुख्यतया PAA सँग HEC, MC र HPC को तीन फरक CEs को LBL असेंबलीको वर्णन गर्दछ, तिनीहरूको असेंबली व्यवहार तुलना गर्दछ, र LBL असेंबलीमा प्रतिस्थापकहरूको प्रभावको विश्लेषण गर्दछ। फिल्म मोटाईमा pH को प्रभाव, र फिल्म गठन र विघटनमा pH को विभिन्न भिन्नताहरूको अनुसन्धान गर्नुहोस्, र CE/PAA को पानी अवशोषण गुणहरू विकास गर्नुहोस्।

प्रयोगात्मक सामग्री:

Polyacrylic एसिड (PAA, Mw = 450,000)। हाइड्रोक्सीथाइलसेलुलोज (HEC) को 2wt.% जलीय घोलको चिपचिपाहट 300 mPa·s हो, र प्रतिस्थापनको डिग्री 2.5 हो। मिथाइलसेलुलोज (MC, 400 mPa·s को चिपचिपाहट र 1.8 को प्रतिस्थापनको डिग्री सहितको 2wt.% जलीय घोल)। Hydroxypropyl सेल्युलोज (HPC, 400 mPa·s को चिपचिपाहट र 2.5 को प्रतिस्थापन को डिग्री संग 2wt% जलीय घोल)।

चलचित्र तयारी:

25 डिग्री सेल्सियसमा सिलिकनमा लिक्विड क्रिस्टल लेयर एसेम्बलीद्वारा तयार। स्लाइड म्याट्रिक्सको उपचार विधि निम्नानुसार छ: अम्लीय घोल (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) मा 30 मिनेट भिजाउनुहोस्, त्यसपछि pH तटस्थ नभएसम्म डियोनाइज्ड पानीले धेरै पटक कुल्ला गर्नुहोस्, र अन्तमा शुद्ध नाइट्रोजनले सुकाउनुहोस्। LBL असेंबली स्वचालित मेसिनरी प्रयोग गरी गरिन्छ। सब्सट्रेट वैकल्पिक रूपमा CE समाधान (0.2 mg/mL) र PAA समाधान (0.2 mg/mL) मा भिजाइएको थियो, प्रत्येक समाधान 4 मिनेटको लागि भिजाइएको थियो। ढिलो रूपमा जोडिएको पोलिमर हटाउनको लागि प्रत्येक सोल्युसनको बीचमा डियोनाइज्ड पानीमा प्रत्येक 1 मिनेटको तीनवटा कुल्ला गर्नुहोस्। एसेम्बली समाधानको pH मानहरू र रिन्सिङ समाधान दुवै pH 2.0 मा समायोजित गरियो। जस्तै-तयार गरिएका चलचित्रहरूलाई (CE/PAA)n को रूपमा बुझाइन्छ, जहाँ n ले एसेम्बली चक्रलाई जनाउँछ। (HEC/PAA) 40, (MC/PAA) 30 र (HPC/PAA) 30 मुख्य रूपमा तयार थिए।

चलचित्र चरित्र:

NanoCalc-XR महासागर अप्टिक्ससँग नजिकको-सामान्य प्रतिबिम्ब स्पेक्ट्रा रेकर्ड र विश्लेषण गरियो, र सिलिकनमा जम्मा गरिएका फिल्महरूको मोटाई मापन गरियो। पृष्ठभूमिको रूपमा खाली सिलिकन सब्सट्रेटको साथ, सिलिकन सब्सट्रेटमा पातलो फिल्मको FT-IR स्पेक्ट्रम निकोलेट 8700 इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमिटरमा संकलन गरिएको थियो।

PAA र CEs बीच हाइड्रोजन बन्ड अन्तरक्रिया:

LBL चलचित्रहरूमा PAA सँग HEC, MC र HPC को विधानसभा। HEC/PAA, MC/PAA र HPC/PAA को इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रा चित्रमा देखाइएको छ। PAA र CES को बलियो IR संकेतहरू HEC/PAA, MC/PAA र HPC/PAA को IR स्पेक्ट्रामा स्पष्ट रूपमा अवलोकन गर्न सकिन्छ। FT-IR स्पेक्ट्रोस्कोपीले PAA र CES बीचको हाइड्रोजन बन्ड जटिलतालाई विशेषता अवशोषण ब्यान्डहरूको शिफ्ट अनुगमन गरेर विश्लेषण गर्न सक्छ। CES र PAA बीचको हाइड्रोजन बन्धन मुख्यतया CES को हाइड्रोक्सिल अक्सिजन र PAA को COOH समूहको बीचमा हुन्छ। हाइड्रोजन बन्ड बनेपछि, स्ट्रेचिङ पीक रातो कम आवृत्ति दिशामा सर्छ।

शुद्ध PAA पाउडरको लागि 1710 cm-1 को शिखर अवलोकन गरिएको थियो। जब polyacrylamide विभिन्न CE को साथ फिल्महरूमा जम्मा गरियो, HEC/PAA, MC/PAA र MPC/PAA फिल्महरूको शिखरहरू क्रमशः 1718 cm-1, 1720 cm-1 र 1724 cm-1 मा अवस्थित थिए। शुद्ध PAA पाउडरको तुलनामा, HPC/PAA, MC/PAA र HEC/PAA चलचित्रहरूको शिखर लम्बाइ क्रमशः 14, 10 र 8 cm−1 द्वारा सारियो। ईथर अक्सिजन र COOH बीचको हाइड्रोजन बन्डले COOH समूहहरू बीचको हाइड्रोजन बन्धनलाई रोक्छ। PAA र CE को बीचमा जति धेरै हाइड्रोजन बन्डहरू गठन हुन्छन्, IR स्पेक्ट्रामा CE/PAA को शिखर शिफ्ट त्यति नै बढी हुन्छ। HPC सँग हाइड्रोजन बन्ड जटिलताको उच्चतम डिग्री छ, PAA र MC बीचमा छन्, र HEC सबैभन्दा कम छ।

PAA र CEs को समग्र फिल्महरूको वृद्धि व्यवहार:

LBL असेंबलीको बखत PAA र CEs को फिल्म बनाउने व्यवहार QCM र स्पेक्ट्रल इन्टरफेरोमेट्री प्रयोग गरेर अनुसन्धान गरिएको थियो। क्यूसीएम पहिलो केहि एसेम्ब्ली चक्रहरूमा फिल्मको बृद्धि अनुगमन गर्न प्रभावकारी हुन्छ। स्पेक्ट्रल इन्टरफेरोमिटरहरू 10 चक्रहरूमा बढेको फिल्महरूको लागि उपयुक्त छन्।

HEC/PAA फिलिमले LBL असेम्ब्ली प्रक्रियामा रेखीय वृद्धि देखाएको छ, जबकि MC/PAA र HPC/PAA चलचित्रहरूले एसेम्बलीको प्रारम्भिक चरणहरूमा घातीय वृद्धि देखाए र त्यसपछि रैखिक वृद्धिमा परिणत भयो। रैखिक वृद्धि क्षेत्रमा, जटिलता को डिग्री उच्च, प्रति एसेम्बली चक्र मोटाई वृद्धि।

फिल्म वृद्धि मा समाधान pH को प्रभाव:

समाधानको pH मानले हाइड्रोजन बन्डेड पोलिमर कम्पोजिट फिल्मको वृद्धिलाई असर गर्छ। कमजोर पोलीइलेक्ट्रोलाइटको रूपमा, PAA लाई आयनीकृत गरिनेछ र समाधानको pH बढ्दै जाँदा नकारात्मक रूपमा चार्ज गरिनेछ, जसले हाइड्रोजन बन्ड एसोसिएसनलाई रोक्छ। जब PAA को ionization को डिग्री एक निश्चित स्तरमा पुग्यो, PAA ले LBL मा हाइड्रोजन बन्ड स्वीकारकर्ताहरु संग एक फिल्म मा भेला हुन सकेन।

समाधान pH को वृद्धि संग फिल्म मोटाई घट्यो, र pH2.5 HPC/PAA र pH3.0-3.5 HPC/PAA मा फिल्म मोटाई अचानक घट्यो। HPC/PAA को महत्वपूर्ण बिन्दु pH 3.5 को बारेमा छ, जबकि HEC/PAA को लगभग 3.0 छ। यसको मतलब जब एसेम्बली समाधानको pH 3.5 भन्दा माथि हुन्छ, HPC/PAA फिल्म गठन गर्न सकिँदैन, र जब समाधानको pH 3.0 भन्दा माथि हुन्छ, HEC/PAA फिल्म गठन गर्न सकिँदैन। HPC/PAA झिल्लीको हाइड्रोजन बन्ड जटिलताको उच्च डिग्रीको कारण, HPC/PAA झिल्लीको महत्वपूर्ण pH मान HEC/PAA झिल्लीको भन्दा बढी छ। नुन-रहित समाधानमा, HEC/PAA, MC/PAA र HPC/PAA द्वारा बनाईएको कम्प्लेक्सहरूको महत्वपूर्ण pH मानहरू क्रमशः लगभग 2.9, 3.2 र 3.7 थिए। HPC/PAA को महत्वपूर्ण pH HEC/PAA को भन्दा उच्च छ, जुन LBL झिल्ली संग संगत छ।

CE/PAA झिल्लीको पानी अवशोषण प्रदर्शन:

CES हाइड्रोक्सिल समूहहरूमा धनी छ त्यसैले यसमा राम्रो पानी अवशोषण र पानी अवधारण छ। HEC/PAA झिल्लीलाई उदाहरणको रूपमा लिँदै, वातावरणमा पानीमा हाइड्रोजन-बन्डेड CE/PAA झिल्लीको शोषण क्षमताको अध्ययन गरियो। स्पेक्ट्रल इन्टरफेरोमेट्री द्वारा विशेषता, फिल्म मोटाई बढ्छ किनकि फिल्मले पानी अवशोषित गर्दछ। यसलाई पानी अवशोषण सन्तुलन प्राप्त गर्न 24 घण्टाको लागि 25 डिग्री सेल्सियसमा समायोज्य आर्द्रता भएको वातावरणमा राखिएको थियो। फिल्महरूलाई भ्याकुम ओभन (40 डिग्री सेल्सियस) मा 24 घन्टाको लागि ओसिलोलाई पूर्ण रूपमा हटाउनको लागि सुकाइयो।

आर्द्रता बढ्दै जाँदा, फिल्म बाक्लो हुन्छ। 30%-50% को कम आर्द्रता क्षेत्रमा, मोटाई वृद्धि अपेक्षाकृत ढिलो छ। जब आर्द्रता 50% भन्दा बढी हुन्छ, मोटाई छिटो बढ्छ। हाइड्रोजन-बन्डेड PVPON/PAA झिल्लीको तुलनामा, HEC/PAA झिल्लीले वातावरणबाट बढी पानी अवशोषित गर्न सक्छ। ७०% (२५ डिग्री सेल्सियस) को सापेक्षिक आर्द्रताको अवस्थामा, PVPON/PAA फिल्मको गाढा हुने दायरा लगभग 4% हुन्छ, जबकि HEC/PAA फिल्मको लगभग 18% भन्दा बढी हुन्छ। नतिजाहरूले देखाए कि यद्यपि HEC/PAA प्रणालीमा OH समूहहरूको निश्चित मात्राले हाइड्रोजन बन्डहरूको गठनमा भाग लिएको थियो, अझै पनि वातावरणमा पानीसँग अन्तरक्रिया गर्ने OH समूहहरूको पर्याप्त संख्या थियो। तसर्थ, HEC/PAA प्रणालीमा राम्रो पानी अवशोषण गुणहरू छन्।

निष्कर्षमा

(1) CE र PAA को उच्चतम हाइड्रोजन बन्धन डिग्री भएको HPC/PAA प्रणालीमा ती मध्ये सबैभन्दा छिटो वृद्धि भएको छ, MC/PAA बीचमा छ, र HEC/PAA सबैभन्दा कम छ।

(२) HEC/PAA फिल्मले तयारी प्रक्रियामा एक रेखीय वृद्धि मोड देखायो, जबकि अन्य दुई चलचित्रहरू MC/PAA र HPC/PAA ले पहिलो केही चक्रहरूमा घातीय वृद्धि देखाए, र त्यसपछि एक रेखीय वृद्धि मोडमा रूपान्तरण भयो।

(3) CE/PAA फिल्मको वृद्धि समाधान pH मा बलियो निर्भरता छ। जब समाधान pH यसको महत्वपूर्ण बिन्दु भन्दा उच्च हुन्छ, PAA र CE फिल्ममा भेला हुन सक्दैन। एसेम्बल गरिएको CE/PAA झिल्ली उच्च pH समाधानहरूमा घुलनशील थियो।

(4) CE/PAA फिल्म OH र COOH मा धनी भएकोले, गर्मी उपचारले यसलाई क्रस-लिंक बनाउँछ। क्रस-लिंक गरिएको CE/PAA झिल्लीमा राम्रो स्थिरता छ र उच्च pH समाधानहरूमा अघुलनशील छ।

(5) CE/PAA फिल्ममा वातावरणमा पानीको लागि राम्रो शोषण क्षमता छ।