Cefndir Ymchwil
Fel adnodd naturiol, toreithiog ac adnewyddadwy, mae cellwlos yn wynebu heriau mawr mewn cymwysiadau ymarferol oherwydd ei briodweddau hydoddedd cyfyngedig a di-doddi. Mae'r crisialu uchel a'r bondiau hydrogen dwysedd uchel yn y strwythur cellwlos yn ei gwneud yn ddiraddio ond nid yn toddi yn ystod y broses feddiannu, ac yn anhydawdd mewn dŵr a'r rhan fwyaf o doddyddion organig. Cynhyrchir eu deilliadau trwy esterification ac etherification y grwpiau hydroxyl ar yr unedau anhydroglucose yn y gadwyn bolymer, a bydd yn arddangos rhai priodweddau gwahanol o'i gymharu â seliwlos naturiol. Gall adwaith etherification seliwlos gynhyrchu llawer o etherau cellwlos sy'n hydoddi mewn dŵr, megis methyl cellwlos (MC), cellwlos hydroxyethyl (HEC) a hydroxypropyl cellwlos (HPC), a ddefnyddir yn eang mewn bwyd, colur, fferyllol a meddygaeth. Gall CE sy'n hydoddi mewn dŵr ffurfio polymerau wedi'u bondio â hydrogen gydag asidau polycarboxylic a pholyffenolau.
Mae cynulliad haen-wrth-haen (LBL) yn ddull effeithiol ar gyfer paratoi ffilmiau tenau cyfansawdd polymer. Mae'r canlynol yn disgrifio'n bennaf y cynulliad LBL o dri CE gwahanol o HEC, MC a HPC gyda PAA, yn cymharu eu hymddygiad cynulliad, ac yn dadansoddi dylanwad eilyddion ar gynulliad LBL. Ymchwilio i effaith pH ar drwch ffilm, a'r gwahaniaethau gwahanol o ran pH ar ffurfiant a hydoddiant ffilm, a datblygu priodweddau amsugno dŵr CE/PAA.
Deunyddiau Arbrofol:
Asid polyacrylig (PAA, Mw = 450,000). Gludedd hydoddiant dyfrllyd 2wt.% o hydroxyethylcellulose (HEC) yw 300 mPa·s, a gradd yr amnewid yw 2.5. Methylcellwlos (MC, hydoddiant dyfrllyd 2wt.% gyda gludedd o 400 mPa·s a gradd o amnewidiad o 1.8). Cellwlos hydroxypropyl (HPC, hydoddiant dyfrllyd 2wt.% gyda gludedd o 400 mPa a gradd o amnewidiad o 2.5).
Paratoi ffilm:
Wedi'i baratoi gan gynulliad haen grisial hylif ar silicon ar 25 ° C. Mae dull trin y matrics sleidiau fel a ganlyn: socian mewn hydoddiant asidig (H2SO4 / H2O2, 7/3Vol / VOL) am 30 munud, yna rinsiwch â dŵr deionized sawl gwaith nes bod y pH yn dod yn niwtral, ac yn olaf sychu gyda nitrogen pur. Perfformir cynulliad LBL gan ddefnyddio peiriannau awtomatig. Cafodd y swbstrad ei socian bob yn ail mewn hydoddiant CE (0.2 mg / mL) a datrysiad PAA (0.2 mg / mL), cafodd pob hydoddiant ei socian am 4 munud. Perfformiwyd tri suddiad rinsio o 1 munud yr un mewn dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio rhwng pob socian hydoddiant i gael gwared ar bolymer sydd wedi'i gysylltu'n rhydd. Addaswyd gwerthoedd pH yr hydoddiant cydosod a'r hydoddiant rinsio i pH 2.0. Dynodir y ffilmiau a baratowyd fel (CE/PAA)n, lle mae n yn dynodi'r cylch cydosod. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 a (HPC/PAA)30 wedi'u paratoi'n bennaf.
Nodweddu Ffilm:
Cofnodwyd a dadansoddwyd sbectra adlewyrchiad bron-normal gyda NanoCalc-XR Ocean Optics, a mesurwyd trwch y ffilmiau a adneuwyd ar silicon. Gyda swbstrad silicon gwag fel y cefndir, casglwyd sbectrwm FT-IR y ffilm denau ar y swbstrad silicon ar sbectromedr isgoch Nicolet 8700.
Rhyngweithiadau bond hydrogen rhwng PAA a CEs:
Cydosod HEC, MC a HPC gyda PAA i ffilmiau LBL. Dangosir sbectra isgoch HEC/PAA, MC/PAA a HPC/PAA yn y ffigur. Gellir gweld signalau IR cryf PAA a CES yn glir yn sbectra IR HEC/PAA, MC/PAA a HPC/PAA. Gall sbectrosgopeg FT-IR ddadansoddi'r cymhlethdod bond hydrogen rhwng PAA a CES trwy fonitro symudiad bandiau amsugno nodweddiadol. Mae'r bondio hydrogen rhwng CES a PAA yn digwydd yn bennaf rhwng ocsigen hydrocsyl CES a'r grŵp COOH o PAA. Ar ôl i'r bond hydrogen gael ei ffurfio, mae'r brig ymestyn coch yn symud i'r cyfeiriad amledd isel.
Gwelwyd uchafbwynt o 1710 cm-1 ar gyfer powdr PAA pur. Pan gafodd polyacrylamid ei gydosod i ffilmiau gyda CEs gwahanol, roedd copaon ffilmiau HEC/PAA, MC/PAA a MPC/PAA yn 1718 cm-1, 1720 cm-1 a 1724 cm-1, yn y drefn honno. O'i gymharu â powdr PAA pur, symudodd hyd brig ffilmiau HPC/PAA, MC/PAA a HEC/PAA 14, 10 ac 8 cm−1, yn y drefn honno. Mae'r bond hydrogen rhwng yr ether ocsigen a COOH yn torri ar draws y bond hydrogen rhwng y grwpiau COOH. Po fwyaf o fondiau hydrogen a ffurfir rhwng PAA a CE, y mwyaf yw symudiad brig CE/PAA mewn sbectra IR. Mae gan HPC y radd uchaf o gymhlethdod bond hydrogen, mae PAA a MC yn y canol, a HEC yw'r isaf.
Ymddygiad twf ffilmiau cyfansawdd o PAA a CEs:
Ymchwiliwyd i ymddygiad ffurfio ffilmiau PAA a CEs yn ystod cydosod LBL gan ddefnyddio QCM ac interferometreg sbectrol. Mae QCM yn effeithiol ar gyfer monitro twf ffilmiau yn y fan a'r lle yn ystod yr ychydig gylchoedd cydosod cyntaf. Mae interferomedrau sbectrol yn addas ar gyfer ffilmiau a dyfir dros 10 cylch.
Dangosodd y ffilm HEC/PAA dwf llinellol trwy gydol y broses gydosod LBL, tra bod y ffilmiau MC/PAA a HPC/PAA yn dangos twf esbonyddol yng nghamau cynnar y cynulliad ac yna'n cael eu trawsnewid yn dwf llinol. Yn y rhanbarth twf llinol, po uchaf yw maint y cymhlethdod, y mwyaf yw'r twf trwch fesul cylch cynulliad.
Effaith pH hydoddiant ar dyfiant ffilm:
Mae gwerth pH yr ateb yn effeithio ar dwf y ffilm gyfansawdd polymer bondio hydrogen. Fel polyelectrolyte gwan, bydd PAA yn cael ei ïoneiddio a'i wefru'n negyddol wrth i pH yr hydoddiant gynyddu, a thrwy hynny atal cysylltiad bond hydrogen. Pan gyrhaeddodd lefel ïoneiddiad PAA lefel benodol, ni allai PAA ymgynnull i mewn i ffilm gyda derbynwyr bond hydrogen yn LBL.
Gostyngodd trwch y ffilm gyda chynnydd pH hydoddiant, a gostyngodd trwch y ffilm yn sydyn ar pH2.5 HPC/PAA a pH3.0-3.5 HPC/PAA. Mae pwynt critigol HPC/PAA tua pH 3.5, tra bod pwynt HEC/PAA tua 3.0. Mae hyn yn golygu, pan fydd pH yr hydoddiant cydosod yn uwch na 3.5, ni ellir ffurfio'r ffilm HPC / PAA, a phan fydd pH yr hydoddiant yn uwch na 3.0, ni ellir ffurfio'r ffilm HEC / PAA. Oherwydd y lefel uwch o gymhlethdod bond hydrogen o bilen HPC/PAA, mae gwerth pH critigol pilen HPC/PAA yn uwch na gwerth pilen HEC/PAA. Mewn toddiant di-halen, roedd gwerthoedd pH critigol y cyfadeiladau a ffurfiwyd gan HEC/PAA, MC/PAA a HPC/PAA tua 2.9, 3.2 a 3.7, yn y drefn honno. Mae pH critigol HPC/PAA yn uwch na phH HEC/PAA, sy'n gyson â philen LBL.
Perfformiad amsugno dŵr pilen CE / PAA:
Mae CES yn gyfoethog mewn grwpiau hydroxyl fel bod ganddo amsugno dŵr da a chadw dŵr. Gan gymryd pilen HEC/PAA fel enghraifft, astudiwyd cynhwysedd arsugniad pilen CE/PAA â bond hydrogen i ddŵr yn yr amgylchedd. Wedi'i nodweddu gan interferometreg sbectrol, mae trwch y ffilm yn cynyddu wrth i'r ffilm amsugno dŵr. Fe'i gosodwyd mewn amgylchedd gyda lleithder addasadwy ar 25 ° C am 24 awr i gyflawni cydbwysedd amsugno dŵr. Sychwyd y ffilmiau mewn popty gwactod (40 ° C) am 24 h i gael gwared ar y lleithder yn llwyr.
Wrth i'r lleithder gynyddu, mae'r ffilm yn tewhau. Yn yr ardal lleithder isel o 30% -50%, mae'r twf trwch yn gymharol araf. Pan fydd y lleithder yn fwy na 50%, mae'r trwch yn tyfu'n gyflym. O'i gymharu â'r bilen PVPON/PAA â bond hydrogen, gall y bilen HEC/PAA amsugno mwy o ddŵr o'r amgylchedd. O dan gyflwr lleithder cymharol o 70% (25 ° C), mae ystod tewhau ffilm PVPON / PAA tua 4%, tra bod ffilm HEC / PAA mor uchel â thua 18%. Dangosodd y canlyniadau, er bod rhai grwpiau OH yn y system HEC/PAA wedi cymryd rhan mewn ffurfio bondiau hydrogen, roedd nifer sylweddol o grwpiau iechyd galwedigaethol yn dal i ryngweithio â dŵr yn yr amgylchedd. Felly, mae gan y system HEC / PAA briodweddau amsugno dŵr da.
i gloi
(1) Y system HPC / PAA sydd â'r radd bondio hydrogen uchaf o CE a PAA sydd â'r twf cyflymaf yn eu plith, mae MC / PAA yn y canol, a HEC / PAA yw'r isaf.
(2) Dangosodd y ffilm HEC/PAA fodd twf llinellol trwy gydol y broses baratoi, tra bod y ddwy ffilm arall MC/PAA a HPC/PAA yn dangos twf esbonyddol yn yr ychydig gylchoedd cyntaf, ac yna'n cael eu trawsnewid yn fodd twf llinol.
(3) Mae twf ffilm CE / PAA yn dibynnu'n fawr ar y pH hydoddiant. Pan fydd y pH hydoddiant yn uwch na'i bwynt critigol, ni all PAA a CE ymgynnull i mewn i ffilm. Roedd y bilen CE/PAA wedi'i chydosod yn hydawdd mewn hydoddiannau pH uchel.
(4) Gan fod y ffilm CE / PAA yn gyfoethog mewn OH a COOH, mae triniaeth wres yn ei gwneud yn groes-gysylltiedig. Mae gan y bilen CE / PAA groes-gysylltiedig sefydlogrwydd da ac mae'n anhydawdd mewn hydoddiannau pH uchel.
(5) Mae gan y ffilm CE / PAA allu arsugniad da ar gyfer dŵr yn yr amgylchedd.
Amser post: Chwefror-18-2023