Ερευνητικό υπόβαθρο
Ως φυσικός, άφθονος και ανανεώσιμος πόρος, η κυτταρίνη συναντά μεγάλες προκλήσεις σε πρακτικές εφαρμογές λόγω των ιδιοτήτων της μη τήξης και περιορισμένης διαλυτότητας. Οι υψηλές κρυσταλλικότητες και οι δεσμοί υδρογόνου υψηλής πυκνότητας στη δομή της κυτταρίνης το καθιστούν υποβαθμισμένο, αλλά δεν λιώνουν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατοχής και αδιάλυτα στο νερό και τους περισσότερους οργανικούς διαλύτες. Τα παράγωγά τους παράγονται από την εστεροποίηση και την αιθεροποίηση των υδροξυλομάδων στις μονάδες ανυδρογλυκόζης στην αλυσίδα πολυμερούς και θα παρουσιάσουν κάποιες διαφορετικές ιδιότητες σε σύγκριση με τη φυσική κυτταρίνη. Η αντίδραση αιθεροποίησης της κυτταρίνης μπορεί να παράγει πολλούς υδατοδιαλυτές κυτταρίνες αιθέρες, όπως η μεθυλ κυτταρίνη (MC), η υδροξυαιθυλο κυτταρίνη (HEC) και η υδροξυπροπυλ κυτταρίνη (HPC), οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως σε τρόφιμα, καλλυντικά, σε φαρμακευτικά και ιατρικά. Τα υδατοδιαλυτά CE μπορούν να σχηματίσουν πολυμερή δεσμευμένα με υδρογόνο με πολυκαρβοξυλικά οξέα και πολυφαινόλες.
Το συγκρότημα στρώματος ανά στρώμα (LBL) είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για την παρασκευή σύνθετων λεπτών μεμβρανών πολυμερών. Τα ακόλουθα περιγράφουν κυρίως τη συναρμολόγηση LBL τριών διαφορετικών CEs των HEC, MC και HPC με PAA, συγκρίνει τη συμπεριφορά συναρμολόγησης τους και αναλύει την επίδραση των υποκαταστατών στη συναρμολόγηση LBL. Διερευνήστε την επίδραση του pH στο πάχος του φιλμ και τις διαφορετικές διαφορές του ρΗ στον σχηματισμό και τη διάλυση του φιλμ και αναπτύξτε τις ιδιότητες απορρόφησης νερού του CE/PAA.
Πειραματικά υλικά:
Πολυακρυλικό οξύ (ΡΑΑ, MW = 450.000). Το ιξώδες της 2WT% υδατικού διαλύματος υδροξυαιθυλοκυτταρίνης (HEC) είναι 300 MPa · s και ο βαθμός υποκατάστασης είναι 2,5. Μεθυλοκυτταρίνη (MC, ένα υδατικό διάλυμα 2Wt% με ιξώδες 400 MPa · s και βαθμό υποκατάστασης 1,8). Υδροξυπροπυλ κυτταρίνη (HPC, 2Wt% υδατικό διάλυμα με ιξώδες 400 mPa · s και βαθμό υποκατάστασης 2,5).
Προετοιμασία ταινιών:
Παρασκευάζεται με συγκρότημα στρώματος υγρού κρυστάλλου σε πυρίτιο στους 25 ° C. Η μέθοδος θεραπείας της μήτρας διαφάνειας έχει ως εξής: Βυθίστε το όξινο διάλυμα (H2SO4/H2O2, 7/3VOL/VOL) για 30 λεπτά και στη συνέχεια ξεπλύνετε με απιονισμένο νερό αρκετές φορές μέχρι το pH να γίνει ουδέτερο και τελικά να στεγνώσει με καθαρό άζωτο. Το συγκρότημα LBL εκτελείται χρησιμοποιώντας αυτόματα μηχανήματα. Το υπόστρωμα ήταν εναλλάξ εμποτισμένο σε διάλυμα CE (0,2 mg/ml) και διάλυμα ΡΑΑ (0,2 mg/mL), κάθε διάλυμα εμποτιστεί για 4 λεπτά. Τρεις ξεβγάλες απορροφάται 1 λεπτό το καθένα σε απιονισμένο νερό πραγματοποιήθηκαν μεταξύ κάθε διαλύματος που απορροφά για να απομακρυνθεί χαλαρά συνδεδεμένο πολυμερές. Οι τιμές ρΗ του διαλύματος συναρμολόγησης και το διάλυμα έκπλυσης ρυθμίστηκαν και οι δύο σε ρΗ 2.0. Οι προετοιμασμένες μεμβράνες υποδηλώνονται ως (CE/PAA) n, όπου το Ν υποδηλώνει τον κύκλο συναρμολόγησης. (HEC/PAA) 40, (MC/PAA) 30 και (HPC/PAA) 30 παρασκευάστηκαν κυρίως.
Χαρακτηρισμός φιλμ:
Τα φάσματα ανάκλασης σχεδόν κανονικών καταγράφηκαν και αναλύθηκαν με οπτική Nanocalc-XR ωκεανών και μετρήθηκε το πάχος των μεμβρανών που κατατέθηκαν σε πυρίτιο. Με ένα κενό υπόστρωμα πυριτίου ως φόντο, το φάσμα FT-IR του λεπτού μεμβράνης στο υπόστρωμα του πυριτίου συλλέχθηκε σε ένα φασματόμετρο υπερύθρων Nicolet 8700.
Αλληλεπιδράσεις δεσμού υδρογόνου μεταξύ PAA και CES:
Συνέλευση HEC, MC και HPC με PAA σε ταινίες LBL. Τα υπέρυθρο φάσματα των HEC/PAA, MC/PAA και HPC/PAA εμφανίζονται στο σχήμα. Τα ισχυρά σήματα IR των ΡΑΑ και CES μπορούν να παρατηρηθούν σαφώς στα φάσματα IR των HEC/PAA, MC/PAA και HPC/PAA. Η φασματοσκοπία FT-IR μπορεί να αναλύσει την συμπλοκοποίηση δεσμού υδρογόνου μεταξύ PAA και CES παρακολουθώντας τη μετατόπιση των χαρακτηριστικών ζωνών απορρόφησης. Η δέσμευση υδρογόνου μεταξύ CES και ΡΑΑ εμφανίζεται κυρίως μεταξύ του υδροξυλίου οξυγόνου του CES και της ομάδας COOH του ΡΑΑ. Αφού σχηματιστεί ο δεσμός υδρογόνου, η κόκκινη κορυφή της μέτρησης μετατοπίζεται στην κατεύθυνση χαμηλής συχνότητας.
Παρατηρήθηκε κορυφή 1710 cm-1 για καθαρή σκόνη ΡΑΑ. Όταν το πολυακρυλαμίδιο συναρμολογήθηκε σε ταινίες με διαφορετικές CES, οι κορυφές των μεμβράνων HEC/PAA, MC/PAA και MPC/PAA βρίσκονταν στα 1718 cm-1, 1720 cm-1 και 1724 cm-1, αντίστοιχα. Σε σύγκριση με την καθαρή σκόνη ΡΑΑ, τα μήκη αιχμής των μεμβράνων HPC/PAA, MC/PAA και HEC/PAA μετατοπίστηκαν κατά 14, 10 και 8 cm -1, αντίστοιχα. Ο δεσμός υδρογόνου μεταξύ του αιθέρα οξυγόνου και του COOH διακόπτει τον δεσμό υδρογόνου μεταξύ των ομάδων COOH. Όσο περισσότεροι δεσμοί υδρογόνου σχηματίστηκαν μεταξύ PAA και CE, τόσο μεγαλύτερη είναι η μετατόπιση της αιχμής του CE/PAA σε φάσματα IR. Το HPC έχει τον υψηλότερο βαθμό συμπλοκοποίησης δεσμού υδρογόνου, τα PAA και MC είναι στη μέση και το HEC είναι το χαμηλότερο.
Ανάπτυξη συμπεριφοράς σύνθετων ταινιών PAA και CES:
Η συμπεριφορά σχηματισμού μεμβράνης των PAA και CES κατά τη διάρκεια της συναρμολόγησης LBL διερευνήθηκε χρησιμοποιώντας QCM και φασματική συμβολομετρία. Το QCM είναι αποτελεσματικό για την παρακολούθηση της ανάπτυξης του φιλμ επί τόπου κατά τη διάρκεια των πρώτων κύκλων συναρμολόγησης. Τα φασματικά συμβολομετρικά είναι κατάλληλα για ταινίες που καλλιεργούνται πάνω από 10 κύκλους.
Η μεμβράνη HEC/PAA έδειξε μια γραμμική ανάπτυξη σε όλη τη διαδικασία συναρμολόγησης LBL, ενώ οι ταινίες MC/PAA και HPC/PAA έδειξαν μια εκθετική ανάπτυξη στα αρχικά στάδια της συναρμολόγησης και στη συνέχεια μετατράπηκαν σε γραμμική ανάπτυξη. Στην περιοχή γραμμικής ανάπτυξης, όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός συμπλοκοποίησης, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάπτυξη του πάχους ανά κύκλο συναρμολόγησης.
Επίδραση του διαλύματος pH στην ανάπτυξη του φιλμ:
Η τιμή ρΗ του διαλύματος επηρεάζει την ανάπτυξη του σύνθετου φιλμ πολυμερούς που συνδέεται με υδρογόνο. Ως ασθενής πολυηλεκτρολύτης, η ΡΑΑ θα είναι ιονισμένη και θα χρεωθεί αρνητικά καθώς το ρΗ του διαλύματος αυξάνεται, αναστέλλοντας έτσι τη συσχέτιση δεσμών υδρογόνου. Όταν ο βαθμός ιονισμού του ΡΑΑ έφτασε σε ένα ορισμένο επίπεδο, η ΡΑΑ δεν μπορούσε να συγκεντρωθεί σε μια ταινία με δέκτες δεσμού υδρογόνου στο LBL.
Το πάχος της μεμβράνης μειώθηκε με την αύξηση του pH του διαλύματος και το πάχος της μεμβράνης μειώθηκε ξαφνικά στα ρΗ2.5 HPC/PAA και PH3,0-3,5 HPC/PAA. Το κρίσιμο σημείο του HPC/PAA είναι περίπου ρΗ 3,5, ενώ το HEC/PAA είναι περίπου 3,0. Αυτό σημαίνει ότι όταν το ρΗ του διαλύματος συναρμολόγησης είναι υψηλότερο από 3,5, η μεμβράνη HPC/PAA δεν μπορεί να σχηματιστεί και όταν το ρΗ του διαλύματος είναι υψηλότερο από 3,0, δεν μπορεί να σχηματιστεί η μεμβράνη HEC/PAA. Λόγω του υψηλότερου βαθμού συμπλοκοποίησης δεσμού υδρογόνου της μεμβράνης HPC/ΡΑΑ, η κρίσιμη τιμή ρΗ της μεμβράνης HPC/ΡΑΑ είναι υψηλότερη από αυτή της μεμβράνης HEC/ΡΑΑ. Σε διάλυμα χωρίς αλάτι, οι κρίσιμες τιμές ρΗ των συμπλοκών που σχηματίστηκαν από HEC/PAA, MC/PAA και HPC/PAA ήταν περίπου 2,9, 3,2 και 3,7 αντίστοιχα. Το κρίσιμο pH του HPC/PAA είναι υψηλότερο από αυτό του HEC/PAA, το οποίο είναι σύμφωνο με αυτό της μεμβράνης LBL.
Απόδοση απορρόφησης νερού της μεμβράνης CE/ PAA:
Το CES είναι πλούσιο σε υδροξυλικές ομάδες έτσι ώστε να έχει καλή απορρόφηση νερού και κατακράτηση νερού. Λαμβάνοντας την μεμβράνη HEC/ΡΑΑ ως παράδειγμα, μελετήθηκε η ικανότητα προσρόφησης της μεμβράνης CE/PAA που συνδέεται με υδρογόνο CE/PAA στο νερό στο περιβάλλον. Χαρακτηρίζεται από φασματική συμβολομετρία, το πάχος της μεμβράνης αυξάνεται καθώς η μεμβράνη απορροφά το νερό. Τοποθετήθηκε σε ένα περιβάλλον με ρυθμιζόμενη υγρασία στους 25 ° C για 24 ώρες για να επιτευχθεί ισορροπία απορρόφησης νερού. Οι μεμβράνες ξηράνθηκαν σε φούρνο κενού (40 ° C) για 24 ώρες για να απομακρυνθούν πλήρως η υγρασία.
Καθώς η υγρασία αυξάνεται, η μεμβράνη πυκνώνει. Στην περιοχή χαμηλής υγρασίας 30%-50%, η ανάπτυξη πάχους είναι σχετικά αργή. Όταν η υγρασία υπερβαίνει το 50%, το πάχος αυξάνεται γρήγορα. Σε σύγκριση με τη μεμβράνη PVPON/ΡΑΑ που συνδέεται με υδρογόνο, η μεμβράνη HEC/ΡΑΑ μπορεί να απορροφήσει περισσότερο νερό από το περιβάλλον. Υπό την προϋπόθεση της σχετικής υγρασίας 70%(25 ° C), το εύρος πάχυνσης της μεμβράνης PVPON/PAA είναι περίπου 4%, ενώ η ταινία HEC/PAA είναι τόσο υψηλή όσο το 18%. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι αν και μια ορισμένη ποσότητα ομάδων ΟΗ στο σύστημα HEC/PAA συμμετείχε στο σχηματισμό δεσμών υδρογόνου, εξακολουθούν να υπήρχαν σημαντικοί αριθμοί ομάδων ΟΗ που αλληλεπιδρούν με νερό στο περιβάλλον. Επομένως, το σύστημα HEC/PAA έχει καλές ιδιότητες απορρόφησης νερού.
συμπεράσματα
(1) Το σύστημα HPC/PAA με τον υψηλότερο βαθμό σύνδεσης υδρογόνου των CE και PAA έχει την ταχύτερη ανάπτυξη μεταξύ τους, το MC/PAA είναι στη μέση και το HEC/PAA είναι το χαμηλότερο.
(2) Η μεμβράνη HEC/PAA έδειξε έναν τρόπο γραμμικής ανάπτυξης καθ 'όλη τη διάρκεια της διαδικασίας παρασκευής, ενώ οι άλλες δύο ταινίες MC/PAA και HPC/PAA έδειξαν εκθετική ανάπτυξη στους πρώτους κύκλους και στη συνέχεια μετατράπηκαν σε τρόπο γραμμικής ανάπτυξης.
(3) Η ανάπτυξη της μεμβράνης CE/PAA έχει ισχυρή εξάρτηση από το ρΗ λύσης. Όταν το pH του διαλύματος είναι υψηλότερο από το κρίσιμο σημείο του, τα PAA και CE δεν μπορούν να συναρμολογηθούν σε μια ταινία. Η συναρμολογημένη μεμβράνη CE/ΡΑΑ ήταν διαλυτό σε διαλύματα υψηλού ρΗ.
(4) Δεδομένου ότι η ταινία CE/PAA είναι πλούσια σε OH και COOH, η θερμική επεξεργασία το καθιστά διασταύρωση. Η μεμβράνη CEA/PAA που έχει συνδεθεί με διασταυρωμένη/ΡΑΑ έχει καλή σταθερότητα και είναι αδιάλυτη σε διαλύματα υψηλού ρΗ.
(5) Η μεμβράνη CE/PAA έχει καλή ικανότητα προσρόφησης για νερό στο περιβάλλον.
Χρόνος δημοσίευσης: Φεβ-18-2023