Ցելյուլոզային եթեր/պոլիակրիլաթթու ջրածնային կապող ֆիլմ

Հետազոտության նախապատմություն

Որպես բնական, առատ և վերականգնվող ռեսուրս՝ ցելյուլոզը գործնական կիրառման մեջ մեծ մարտահրավերների է հանդիպում՝ իր չհալվող և սահմանափակ լուծելի հատկությունների պատճառով: Բջջանյութի կառուցվածքում բարձր բյուրեղային և բարձր խտության ջրածնային կապերը դարձնում են այն քայքայվում, բայց չի հալվում տիրապետման գործընթացում և անլուծելի է ջրում և օրգանական լուծիչների մեծ մասում: Դրանց ածանցյալները արտադրվում են պոլիմերային շղթայի անհիդրոգլիկոզային միավորների վրա հիդրօքսիլային խմբերի էսթերիֆիկացման և եթերիֆիկացման արդյունքում և կցուցաբերեն որոշ տարբեր հատկություններ՝ համեմատած բնական ցելյուլոզայի հետ: Ցելյուլոզայի եթերիֆիկացման ռեակցիան կարող է առաջացնել բազմաթիվ ջրում լուծվող ցելյուլոզային եթերներ, ինչպիսիք են մեթիլցելյուլոզը (MC), հիդրօքսիէթիլ ցելյուլոզը (HEC) և հիդրօքսիպրոպիլ ցելյուլոզը (HPC), որոնք լայնորեն օգտագործվում են սննդի, կոսմետիկայի, դեղագործության և բժշկության մեջ: Ջրում լուծվող CE-ն կարող է ձևավորել ջրածնային կապով պոլիմերներ պոլիկարբոքսիլաթթուներով և պոլիֆենոլներով:

Շերտ առ շերտ հավաքումը (LBL) պոլիմերային կոմպոզիտային բարակ թաղանթների պատրաստման արդյունավետ մեթոդ է: Հետևյալը հիմնականում նկարագրում է HEC-ի, MC-ի և HPC-ի երեք տարբեր CE-ների LBL հավաքը PAA-ի հետ, համեմատում է դրանց հավաքման վարքագիծը և վերլուծում է փոխարինողների ազդեցությունը LBL հավաքման վրա: Հետազոտեք pH-ի ազդեցությունը թաղանթի հաստության վրա, և pH-ի տարբեր տարբերությունները թաղանթի ձևավորման և լուծարման վրա և զարգացրեք CE/PAA-ի ջրի կլանման հատկությունները:

Փորձարարական նյութեր.

Պոլիակրիլաթթու (PAA, Mw = 450,000): Հիդրօքսիէթիլցելյուլոզայի (HEC) 2 wt.% ջրային լուծույթի մածուցիկությունը 300 mPa·s է, իսկ փոխարինման աստիճանը՝ 2,5։ Մեթիլցելյուլոզա (MC, 2 wt.% ջրային լուծույթ 400 mPa·s մածուցիկությամբ և 1,8 փոխարինման աստիճանով): Հիդրօքսիպրոպիլ ցելյուլոզա (HPC, 2 wt.% ջրային լուծույթ՝ 400 mPa·s մածուցիկությամբ և 2,5 փոխարինման աստիճանով)։

Ֆիլմի պատրաստում.

Պատրաստված է հեղուկ բյուրեղյա շերտով սիլիցիումի վրա 25°C ջերմաստիճանում: Սլայդային մատրիցայի մշակման մեթոդը հետևյալն է. թթվային լուծույթում (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) թրջել 30 րոպե, ապա մի քանի անգամ լվանալ դեիոնացված ջրով, մինչև pH-ը չեզոք դառնա, և վերջում չորացնել մաքուր ազոտով: LBL հավաքումը կատարվում է ավտոմատ մեքենաների միջոցով: Ենթաշերտը հերթափոխով ներծծվում էր CE լուծույթով (0,2 մգ/մլ) և PAA լուծույթով (0,2 մգ/մլ), յուրաքանչյուր լուծույթ ներծծվում էր 4 րոպե: Յուրաքանչյուր լուծույթի ներծծման միջև կատարվել են երեք ողողումներ՝ յուրաքանչյուրը 1 րոպե տևողությամբ դեիոնացված ջրով, որպեսզի հեռացվի թույլ կցված պոլիմերը: Հավաքման լուծույթի և ողողման լուծույթի pH արժեքները երկուսն էլ ճշգրտվել են pH 2.0-ի: Ինչպես պատրաստված ֆիլմերը նշվում են որպես (CE/PAA)n, որտեղ n-ը նշանակում է հավաքման ցիկլը: Հիմնականում պատրաստվել են (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 և (HPC/PAA)30:

Ֆիլմի բնութագրում.

Արձանագրվել և վերլուծվել են NanoCalc-XR Ocean Optics-ի միջոցով մոտ նորմալ անդրադարձման սպեկտրները, և չափվել է սիլիցիումի վրա դրված թաղանթների հաստությունը: Դատարկ սիլիցիումային ենթաշերտով որպես ֆոն, սիլիկոնային հիմքի վրա բարակ թաղանթի FT-IR սպեկտրը հավաքվել է Nicolet 8700 ինֆրակարմիր սպեկտրոմետրի վրա:

Ջրածնային կապերի փոխազդեցությունները PAA-ի և CE-ների միջև.

HEC-ի, MC-ի և HPC-ի հավաքում PAA-ով LBL ֆիլմերի մեջ: HEC/PAA, MC/PAA և HPC/PAA ինֆրակարմիր սպեկտրները ներկայացված են նկարում: PAA-ի և CES-ի ուժեղ IR ազդանշանները կարելի է հստակորեն դիտարկել HEC/PAA, MC/PAA և HPC/PAA IR սպեկտրներում: FT-IR սպեկտրոսկոպիան կարող է վերլուծել ջրածնային կապի կոմպլեքսավորումը PAA-ի և CES-ի միջև՝ մոնիտորինգի ենթարկելով բնորոշ կլանման գոտիների տեղաշարժը: CES-ի և PAA-ի միջև ջրածնային կապը հիմնականում տեղի է ունենում CES-ի հիդրօքսիլ թթվածնի և PAA-ի COOH խմբի միջև: Ջրածնային կապի ձևավորումից հետո ձգվող գագաթնակետը կարմիրը տեղափոխվում է ցածր հաճախականության ուղղությամբ:

Մաքուր PAA փոշու համար նկատվել է 1710 սմ-1 գագաթնակետ: Երբ պոլիակրիլամիդը հավաքվում էր տարբեր CE-ներով թաղանթների մեջ, HEC/PAA, MC/PAA և MPC/PAA թաղանթների գագաթները գտնվում էին համապատասխանաբար 1718 սմ-1, 1720 սմ-1 և 1724 սմ-1: Մաքուր PAA փոշու համեմատ՝ HPC/PAA, MC/PAA և HEC/PAA թաղանթների գագաթնակետային երկարությունները համապատասխանաբար փոխվել են 14, 10 և 8 սմ−1-ով: Եթերային թթվածնի և COOH-ի միջև ջրածնային կապը ընդհատում է COOH խմբերի միջև ջրածնային կապը: Որքան շատ ջրածնային կապեր ձևավորվեն PAA-ի և CE-ի միջև, այնքան մեծ է CE/PAA-ի գագաթնակետային տեղաշարժը IR սպեկտրներում: HPC-ն ունի ջրածնային կապերի կոմպլեքսացիայի ամենաբարձր աստիճանը, PAA-ն և MC-ն գտնվում են միջինում, իսկ HEC-ը ամենացածրն է:

PAA-ի և CE-ների կոմպոզիտային ֆիլմերի աճի վարքագիծը.

LBL հավաքման ժամանակ PAA-ի և CE-ների թաղանթ ձևավորող վարքագիծը հետազոտվել է QCM-ի և սպեկտրային ինտերֆերոմետրիայի միջոցով: QCM-ն արդյունավետ է մոնտաժման առաջին մի քանի ցիկլերի ընթացքում ֆիլմի աճը տեղում վերահսկելու համար: Սպեկտրային ինտերֆերոմետրերը հարմար են 10 ցիկլով աճեցված ֆիլմերի համար:

HEC/PAA ֆիլմը ցույց տվեց գծային աճ LBL հավաքման գործընթացում, մինչդեռ MC/PAA և HPC/PAA ֆիլմերը ցուցադրեցին էքսպոնենցիալ աճ հավաքման վաղ փուլերում, այնուհետև վերածվեցին գծային աճի: Գծային աճի շրջանում, որքան բարձր է կոմպլեքսավորման աստիճանը, այնքան մեծ է հաստության աճը հավաքման ցիկլի համար:

Լուծույթի pH-ի ազդեցությունը թաղանթի աճի վրա.

Լուծման pH արժեքը ազդում է ջրածնային կապով պոլիմերային կոմպոզիտային թաղանթի աճի վրա: Որպես թույլ պոլիէլեկտրոլիտ, PAA-ն իոնացված և բացասական լիցքավորված կլինի, քանի որ լուծույթի pH-ը մեծանում է, դրանով իսկ արգելելով ջրածնային կապի միացումը: Երբ PAA-ի իոնացման աստիճանը հասավ որոշակի մակարդակի, PAA-ն չէր կարող հավաքվել թաղանթի մեջ ջրածնային կապի ընդունիչներով LBL-ում:

Թաղանթի հաստությունը նվազում է լուծույթի pH-ի բարձրացման հետ, իսկ թաղանթի հաստությունը հանկարծակի նվազում է pH2,5 HPC/PAA և pH3,0-3,5 HPC/PAA: HPC/PAA-ի կրիտիկական կետը մոտ pH 3.5 է, մինչդեռ HEC/PAA-ն մոտ 3.0 է: Սա նշանակում է, որ երբ հավաքման լուծույթի pH-ը 3.5-ից բարձր է, HPC/PAA թաղանթը չի կարող ձևավորվել, իսկ երբ լուծույթի pH-ը 3.0-ից բարձր է, HEC/PAA թաղանթը չի կարող ձևավորվել: HPC/PAA մեմբրանի ջրածնային կապի բարդացման ավելի բարձր աստիճանի պատճառով HPC/PAA մեմբրանի կրիտիկական pH արժեքը ավելի բարձր է, քան HEC/PAA թաղանթինը: Առանց աղի լուծույթում HEC/PAA, MC/PAA և HPC/PAA ձևավորված համալիրների pH-ի կրիտիկական արժեքները համապատասխանաբար կազմում էին մոտ 2,9, 3,2 և 3,7: HPC/PAA-ի կրիտիկական pH-ն ավելի բարձր է, քան HEC/PAA-ն, որը համահունչ է LBL մեմբրանի հետ:

CE/PAA թաղանթի ջրի կլանման գործունակությունը.

CES-ը հարուստ է հիդրօքսիլային խմբերով, այնպես որ այն ունի լավ ջրի կլանում և ջրի պահպանում: Որպես օրինակ վերցնելով HEC/PAA թաղանթը, ուսումնասիրվել է ջրածնային կապով CE/PAA թաղանթի կլանման կարողությունը շրջակա միջավայրում ջրի նկատմամբ: Բնութագրվում է սպեկտրային ինտերֆերոմետրիայով, թաղանթի հաստությունը մեծանում է, քանի որ թաղանթը կլանում է ջուրը: Ջրի կլանման հավասարակշռության հասնելու համար այն տեղադրվել է 25°C ջերմաստիճանում կարգավորելի խոնավությամբ միջավայրում 24 ժամվա ընթացքում: Թաղանթները չորանում են վակուումային ջեռոցում (40 °C) 24 ժամ՝ խոնավությունը ամբողջությամբ հեռացնելու համար:

Երբ խոնավությունը մեծանում է, թաղանթը խտանում է: Ցածր խոնավության 30%-50% տարածքում հաստության աճը համեմատաբար դանդաղ է։ Երբ խոնավությունը գերազանցում է 50%-ը, հաստությունը արագ աճում է։ Ջրածնային կապով PVPON/PAA թաղանթի համեմատ՝ HEC/PAA թաղանթը կարող է ավելի շատ ջուր կլանել շրջակա միջավայրից: 70% (25°C) հարաբերական խոնավության պայմաններում PVPON/PAA թաղանթի խտացման միջակայքը կազմում է մոտ 4%, մինչդեռ HEC/PAA թաղանթի բարձրությունը կազմում է մոտ 18%: Արդյունքները ցույց են տվել, որ թեև HEC/PAA համակարգում որոշակի քանակությամբ OH խմբեր մասնակցել են ջրածնային կապերի ձևավորմանը, այնուամենայնիվ շրջակա միջավայրում ջրի հետ փոխազդող OH խմբերի զգալի քանակ կա: Հետևաբար, HEC/PAA համակարգը ունի լավ ջրի կլանման հատկություններ:

վերջում

(1) CE-ի և PAA-ի ամենաբարձր ջրածնային կապի աստիճանով HPC/PAA համակարգը ամենաարագ աճն ունի նրանց մեջ, MC/PAA-ն միջինում է, իսկ HEC/PAA-ն ամենացածրն է:

(2) HEC/PAA թաղանթը ցույց տվեց գծային աճի ռեժիմ պատրաստման գործընթացի ընթացքում, մինչդեռ մյուս երկու ֆիլմերը MC/PAA և HPC/PAA ցուցադրեցին էքսպոնենցիալ աճ առաջին մի քանի ցիկլերում, այնուհետև վերածվեցին գծային աճի ռեժիմի:

(3) CE/PAA ֆիլմի աճը մեծ կախվածություն ունի լուծույթի pH-ից: Երբ լուծույթի pH-ն ավելի բարձր է, քան իր կրիտիկական կետը, PAA-ն և CE-ն չեն կարող հավաքվել թաղանթի մեջ: Հավաքված CE/PAA թաղանթը լուծելի էր բարձր pH լուծույթներում:

(4) Քանի որ CE/PAA թաղանթը հարուստ է OH-ով և COOH-ով, ջերմային մշակումը դարձնում է այն խաչաձև կապակցված: Խաչաձև կապակցված CE/PAA թաղանթն ունի լավ կայունություն և անլուծելի է բարձր pH լուծույթներում:

(5) CE/PAA թաղանթը շրջակա միջավայրում ջրի լավ կլանման կարողություն ունի: