السليلوز الأثير/فيلم ربط هيدروجين حمض البولي أكريليك

خلفية البحث

كمورد طبيعي وفير ومتجدد ، واجه السليلوز تحديات كبيرة في التطبيقات العملية بسبب خصائصها غير المحدودة للذوبان. تجعل روابط الهيدروجين عالية الكثافة وروابط الهيدروجين عالية الكثافة في بنية السليلوز تتحلل ولكنها لا تذوب أثناء عملية الحيازة ، وغير قابلة للذوبان في الماء ومعظم المذيبات العضوية. يتم إنتاج مشتقاتها عن طريق استرخاء ومجموعات الهيدروكسيل على وحدات الأنهيدروجلوكوز في سلسلة البوليمر ، وسوف تظهر بعض الخصائص المختلفة مقارنة بالسليلوز الطبيعي. يمكن أن يولد تفاعل الأثير من السليلوز العديد من إيثرات السليلوز القابلة للذوبان في الماء ، مثل السليلوز الميثيل (MC) ، السليلوز الهيدروكسي إيثيل (HEC) والسيدروكسيبروبيل السليلوز (HPC) ، والتي تستخدم على نطاق واسع في الغذاء ، التجميل ، في الأدوية والطب. يمكن أن تشكل CE القابل للذوبان في الماء البوليمرات المربوطة بالهيدروجين مع الأحماض البولي كربوكسيل والبوليفينول.

مجموعة طبقة تلو الأخرى (LBL) هي طريقة فعالة لإعداد الأفلام الرقيقة المركب البوليمر. يصف ما يلي بشكل أساسي مجموعة LBL لثلاثة CES مختلفة من HEC و MC و HPC مع PAA ، يقارن سلوك التجميع ، ويحلل تأثير البدائل على مجموعة LBL. تحقق من تأثير الرقم الهيدروجيني على سمك الفيلم ، والاختلافات المختلفة للـ درجة الحموضة في تكوين الأفلام وحلها ، وتطوير خصائص امتصاص الماء في CE/PAA.

المواد التجريبية:

حمض البولي أكريليك (PAA ، MW = 450،000). اللزوجة من 2wt. ٪ محلول مائي من الهيدروكسي إيثيل سيلولوز (HEC) هو 300 ميجا باسكال ، ودرجة الاستبدال 2.5. ميثيل سيلولوز (MC ، محلول مائي ٪ 2wt. مع لزوجة 400 ميجا باسكال ودرجة من 1.8). Hydroxypropyl السليلوز (HPC ، محلول مائي 2WT. ٪ مع لزوجة 400 ميجا باسكال ودرجة من الاستبدال 2.5).

إعداد الفيلم:

أعدها مجموعة طبقة بلورية سائلة على السيليكون عند 25 درجة مئوية. طريقة معالجة مصفوفة الشريحة هي كما يلي: نقع في المحلول الحمضي (H2SO4/H2O2 ، 7/3VOL/VOL) لمدة 30 دقيقة ، ثم شطفه بالماء منزوع الأيونات عدة مرات حتى يصبح الرقم الهيدروجيني محايدًا ، وتجف أخيرًا مع النيتروجين النقي. يتم تنفيذ مجموعة LBL باستخدام الآلات التلقائية. تم نقع الركيزة بالتناوب في محلول CE (0.2 ملغ/مل) ومحلول PAA (0.2 ملغ/مل) ، تم نقع كل محلول لمدة 4 دقائق. تم إجراء ثلاثة شطفات من 1 دقيقة في الماء منزوع الأيونات بين كل محلول نقع لإزالة البوليمر المرفق بشكل فضفاض. تم تعديل قيم الرقم الهيدروجيني لحل التجميع وحل الشطف على حد سواء إلى درجة الحموضة 2.0. يتم الإشارة إلى الأفلام المعدة على أنها (CE/PAA) n ، حيث تشير N إلى دورة التجميع. (HEC/PAA) 40 ، (MC/PAA) 30 و (HPC/PAA) تم إعدادها بشكل رئيسي.

توصيف الأفلام:

تم تسجيل أطياف الانعكاس شبه الطبيعية وتحليلها باستخدام بصريات المحيط Nanocalc-XR ، وتم قياس سمك الأفلام المودعة على السيليكون. مع الركيزة السيليكون الفارغة كخلفية ، تم جمع طيف FT-IR للفيلم الرقيق على ركيزة السيليكون على مطياف الأشعة تحت الحمراء Nicolet 8700.

تفاعلات رابطة الهيدروجين بين PAA و CES:

تجميع HEC و MC و HPC مع PAA في أفلام LBL. يتم عرض أطياف الأشعة تحت الحمراء من HEC/PAA و MC/PAA و HPC/PAA في الشكل. يمكن ملاحظة إشارات الأشعة تحت الحمراء القوية لـ PAA و CES بوضوح في أطياف الأشعة تحت الحمراء لـ HEC/PAA و MC/PAA و HPC/PAA. يمكن للتحليل الطيفي FT-IR تحليل تعقيد رابطة الهيدروجين بين PAA و CES من خلال مراقبة تحول نطاقات الامتصاص المميزة. يحدث ترابط الهيدروجين بين CES و PAA بشكل رئيسي بين أكسجين الهيدروكسيل من CES ومجموعة COOH من PAA. بعد تشكيل رابطة الهيدروجين ، تتحول ذروة الذروة الأحمر إلى اتجاه التردد المنخفض.

وقد لوحظت ذروة 1710 سم -1 لمسحوق PAA النقي. عندما تم تجميع polyacrylamide في أفلام مع CES مختلفة ، كانت قمم HEC/PAA و MC/PAA و MPC/PAA تقع في 1718 سم -1 ، 1720 سم -1 و 1724 سم -1 ، على التوالي. بالمقارنة مع مسحوق PAA النقي ، تحولت أطوال ذروة أفلام HPC/PAA و MC/PAA و HEC/PAA بمقدار 14 و 10 و 8 سم - 1 على التوالي. يقطع رابطة الهيدروجين بين الأكسجين الأثير و COOH رابطة الهيدروجين بين مجموعات COOH. كلما زادت روابط الهيدروجين التي تشكلت بين PAA و CE ، زادت تحول ذروة CE/PAA في أطياف الأشعة تحت الحمراء. HPC لديها أعلى درجة من تعقيد رابطة الهيدروجين ، PAA و MC في الوسط ، HEC هو أدنى.

سلوك نمو الأفلام المركبة من PAA و CES:

تم التحقيق في سلوك تشكيل الأفلام لـ PAA و CES أثناء مجموعة LBL باستخدام QCM وقياس التداخل الطيفي. QCM فعال لرصد نمو الأفلام في الموقع خلال دورات التجميع القليلة الأولى. مقاييس التداخل الطيفي مناسبة للأفلام التي تزرع أكثر من 10 دورات.

أظهر فيلم HEC/PAA نموًا خطيًا خلال عملية تجميع LBL ، في حين أظهرت أفلام MC/PAA و HPC/PAA نمواً هائلاً في المراحل المبكرة من التجميع ثم تحولت إلى نمو خطي. في منطقة النمو الخطي ، كلما ارتفعت درجة التعقيد ، زاد نمو سمك لكل دورة تجميع.

تأثير الرقم الهيدروجيني للحل على نمو الأفلام:

تؤثر قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول على نمو فيلم البوليمر المركب للهيدروجين. كقوة متعددة الإلكتروليت الضعيفة ، سيتم تأين PAA وتشحن سلبًا مع زيادة درجة الحموضة في المحلول ، وبالتالي تثبيط ارتباط رابطة الهيدروجين. عندما وصلت درجة تأين PAA إلى مستوى معين ، لم تتمكن PAA من التجميع في فيلم به مستقبلات رابطة الهيدروجين في LBL.

انخفض سمك الفيلم مع زيادة درجة الحموضة في المحلول ، وانخفض سمك الفيلم فجأة عند PH2.5 HPC/PAA و PH3.0-3.5 HPC/PAA. النقطة الحرجة لـ HPC/PAA هي حوالي درجة الحموضة 3.5 ، في حين أن HEC/PAA حوالي 3.0. هذا يعني أنه عندما يكون الرقم الهيدروجيني لحل التجميع أعلى من 3.5 ، لا يمكن تشكيل فيلم HPC/PAA ، وعندما يكون الرقم الهيدروجيني للمحلول أعلى من 3.0 ، لا يمكن تشكيل فيلم HEC/PAA. نظرًا لارتفاع درجة تعقيد رابطة الهيدروجين في غشاء HPC/PAA ، فإن قيمة الرقم الهيدروجيني الحرجة لغشاء HPC/PAA أعلى من غشاء HEC/PAA. في المحلول الخالي من الملح ، كانت قيم الأس الهيدروجيني الحرجة للمجمعات التي تشكلها HEC/PAA و MC/PAA و HPC/PAA حوالي 2.9 و 3.2 و 3.7 على التوالي. الرقم الهيدروجيني الحرج لـ HPC/PAA أعلى من درجة HEC/PAA ، والتي تتوافق مع غشاء LBL.

أداء امتصاص المياه من غشاء CE/ PAA:

CES غنية بمجموعات الهيدروكسيل بحيث يتمتع بامتصاص الماء الجيد والاحتفاظ بالماء. أخذ غشاء HEC/PAA كمثال ، تمت دراسة سعة امتزاز غشاء CE/PAA المربوط بالهيدروجين إلى الماء في البيئة. يتميز بتكافؤ الفيلم ، يزداد سمك الفيلم مع امتصاص الفيلم الماء. تم وضعه في بيئة مع رطوبة قابلة للتعديل عند 25 درجة مئوية لمدة 24 ساعة لتحقيق توازن امتصاص الماء. تم تجفيف الأفلام في فرن فراغ (40 درجة مئوية) لمدة 24 ساعة لإزالة الرطوبة تمامًا.

مع زيادة الرطوبة ، يسخن الفيلم. في مساحة الرطوبة المنخفضة من 30 ٪ -50 ٪ ، يكون نمو السمك بطيئًا نسبيًا. عندما تتجاوز الرطوبة 50 ٪ ، ينمو السماكة بسرعة. بالمقارنة مع غشاء PVPON/PAA المربوط بالهيدروجين ، يمكن أن يمتص غشاء HEC/PAA المزيد من الماء من البيئة. في ظل حالة الرطوبة النسبية البالغة 70 ٪ (25 درجة مئوية) ، يبلغ نطاق سماكة فيلم PVPON/PAA حوالي 4 ٪ ، في حين أن فيلم HEC/PAA مرتفع إلى حوالي 18 ٪. أظهرت النتائج أنه على الرغم من أن كمية معينة من مجموعات OH في نظام HEC/PAA شاركت في تكوين روابط الهيدروجين ، إلا أنه لا يزال هناك عدد كبير من مجموعات OH التي تتفاعل مع الماء في البيئة. لذلك ، فإن نظام HEC/PAA لديه خصائص امتصاص المياه الجيدة.

ختاماً

(1) نظام HPC/PAA مع أعلى درجة ترابط الهيدروجين من CE و PAA لديه أسرع نمو بينهما ، MC/PAA في الوسط ، و HEC/PAA هو أدنى.

(2) أظهر فيلم HEC/PAA وضع نمو خطي طوال عملية التحضير ، في حين أظهر الفيلمين الأخريان MC/PAA و HPC/PAA نموًا كبيرًا في الدورات القليلة الأولى ، ثم تحول إلى وضع نمو خطي.

(3) نمو فيلم CE/PAA له اعتماد قوي على الحل الرقم الهيدروجيني. عندما يكون الحل الأس الهيدروجيني أعلى من وجهة نظره الحرجة ، لا يمكن لـ PAA و CE التجمع في فيلم. كان غشاء CE/PAA المجمع قابل للذوبان في حلول PH عالية.

(4) نظرًا لأن فيلم CE/PAA غني بـ OH و COOH ، فإن المعالجة الحرارية تجعله مرتبطًا. غشاء CE/PAA المرتبط به ثبات جيد وغير قابل للذوبان في حلول PH عالية.

(5) يحتوي فيلم CE/PAA على قدرة جيدة للامتصاص للمياه في البيئة.