ცელულოზის ეთერი/პოლიაკრილის მჟავა წყალბადის შემაკავშირებელი ფილმი

კვლევის ფონი

როგორც ბუნებრივი, უხვი და განახლებადი რესურსი, ცელულოზა ხვდება დიდ გამოწვევებს პრაქტიკულ გამოყენებაში მისი არდნობისა და შეზღუდული ხსნადობის თვისებების გამო. მაღალი კრისტალური და მაღალი სიმკვრივის წყალბადის ბმები ცელულოზის სტრუქტურაში ხდის მას დეგრადაციას, მაგრამ არ დნება ფლობის პროცესში და უხსნად წყალში და უმეტეს ორგანულ გამხსნელებში. მათი წარმოებულები წარმოიქმნება პოლიმერული ჯაჭვის ანჰიდროგლუკოზის ერთეულებზე ჰიდროქსილის ჯგუფების ესტერიფიკაციისა და ეთერიფიკაციის შედეგად და გამოავლენენ გარკვეულ განსხვავებულ თვისებებს ბუნებრივ ცელულოზასთან შედარებით. ცელულოზის ეთერიფიკაციის რეაქციამ შეიძლება წარმოქმნას მრავალი წყალში ხსნადი ცელულოზის ეთერი, როგორიცაა მეთილის ცელულოზა (MC), ჰიდროქსიეთილის ცელულოზა (HEC) და ჰიდროქსიპროპილ ცელულოზა (HPC), რომლებიც ფართოდ გამოიყენება საკვებში, კოსმეტიკაში, ფარმაცევტულ და მედიცინაში. წყალში ხსნად CE-ს შეუძლია შექმნას წყალბადთან დაკავშირებული პოლიმერები პოლიკარბოქსილის მჟავებით და პოლიფენოლებით.

ფენა-ფენა შეკრება (LBL) არის ეფექტური მეთოდი პოლიმერული კომპოზიტური თხელი ფენების მოსამზადებლად. ქვემოთ ძირითადად აღწერს HEC, MC და HPC-ის სამი სხვადასხვა CE-ის LBL შეკრებას PAA-სთან, ადარებს მათ შეკრების ქცევას და აანალიზებს შემცვლელების გავლენას LBL შეკრებაზე. გამოიკვლიეთ pH-ის გავლენა ფირის სისქეზე და pH-ის სხვადასხვა განსხვავებები ფირის წარმოქმნასა და დაშლაზე და განავითარეთ CE/PAA-ის წყლის შთანთქმის თვისებები.

ექსპერიმენტული მასალები:

პოლიაკრილის მჟავა (PAA, Mw = 450,000). ჰიდროქსიეთილცელულოზის (HEC) 2 wt.% წყალხსნარის სიბლანტე არის 300 mPa·s, ხოლო ჩანაცვლების ხარისხი არის 2,5. მეთილცელულოზა (MC, 2 wt.% წყალხსნარი სიბლანტე 400 mPa·s და ჩანაცვლების ხარისხი 1.8). ჰიდროქსიპროპილ ცელულოზა (HPC, 2 wt.% წყალხსნარი სიბლანტე 400 mPa·s და ჩანაცვლების ხარისხი 2,5).

ფილმის მომზადება:

მომზადებულია თხევადკრისტალური ფენის შეკრებით სილიკონზე 25°C ტემპერატურაზე. სლაიდების მატრიცის დამუშავების მეთოდი ასეთია: ჩაალბეთ მჟავე ხსნარში (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 წუთის განმავლობაში, შემდეგ ჩამოიბანეთ დეიონიზებული წყლით რამდენჯერმე, სანამ pH არ გახდება ნეიტრალური და ბოლოს გააშრეთ სუფთა აზოტით. LBL აწყობა ხორციელდება ავტომატური მანქანების გამოყენებით. სუბსტრატი მონაცვლეობით იყო გაჟღენთილი CE ხსნარში (0.2 მგ/მლ) და PAA ხსნარში (0.2 მგ/მლ), თითოეული ხსნარი გაჟღენთილი იყო 4 წუთის განმავლობაში. სამი გამრეცხი გაჟღენთვა 1 წუთის განმავლობაში დეიონიზებულ წყალში ჩატარდა თითოეულ ხსნარს შორის, თავისუფლად მიმაგრებული პოლიმერის მოსაშორებლად. ასამბლეის ხსნარის და გამრეცხი ხსნარის pH მნიშვნელობები დარეგულირდა pH 2.0-მდე. როგორც მომზადებული ფილმები აღინიშნება როგორც (CE/PAA)n, სადაც n აღნიშნავს შეკრების ციკლს. ძირითადად მომზადებული იყო (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 და (HPC/PAA)30.

ფილმის დახასიათება:

თითქმის ნორმალურ არეკვლის სპექტრები დაფიქსირდა და გაანალიზდა NanoCalc-XR Ocean Optics და გაზომილი იყო სილიკონზე დეპონირებული ფირების სისქე. სილიკონის ცარიელი სუბსტრატით, როგორც ფონი, სილიკონის სუბსტრატზე თხელი ფირის FT-IR სპექტრი შეგროვდა Nicolet 8700 ინფრაწითელ სპექტრომეტრზე.

წყალბადის ბმის ურთიერთქმედება PAA-სა და CE-ებს შორის:

HEC, MC და HPC-ის შეკრება PAA-ით LBL ფილმებში. HEC/PAA, MC/PAA და HPC/PAA ინფრაწითელი სპექტრები ნაჩვენებია სურათზე. PAA-ს და CES-ის ძლიერი IR სიგნალები აშკარად ჩანს HEC/PAA, MC/PAA და HPC/PAA IR სპექტრებში. FT-IR სპექტროსკოპიას შეუძლია გააანალიზოს წყალბადის ბმის კომპლექსურობა PAA-სა და CES-ს შორის დამახასიათებელი შთანთქმის ზოლების ცვლის მონიტორინგით. წყალბადის კავშირი CES-სა და PAA-ს შორის ძირითადად ხდება CES-ის ჰიდროქსილის ჟანგბადსა და PAA-ს COOH ჯგუფს შორის. წყალბადის კავშირის ჩამოყალიბების შემდეგ, გაჭიმვის პიკი წითელი გადადის დაბალი სიხშირის მიმართულებით.

პიკი 1710 სმ-1 დაფიქსირდა სუფთა PAA ფხვნილისთვის. როდესაც პოლიაკრილამიდი აწყობილი იყო ფილებად სხვადასხვა CE-ებით, HEC/PAA, MC/PAA და MPC/PAA ფილმების მწვერვალები მდებარეობდა 1718 სმ-1, 1720 სმ-1 და 1724 სმ-1, შესაბამისად. სუფთა PAA ფხვნილთან შედარებით, HPC/PAA, MC/PAA და HEC/PAA ფირის პიკური სიგრძე შეიცვალა შესაბამისად 14, 10 და 8 სმ−1-ით. წყალბადის ბმა ეთერ ჟანგბადსა და COOH-ს შორის წყვეტს წყალბადურ კავშირს COOH ჯგუფებს შორის. რაც უფრო მეტი წყალბადის ბმა წარმოიქმნება PAA-სა და CE-ს შორის, მით მეტია CE/PAA-ის პიკური ცვლა IR სპექტრებში. HPC-ს აქვს წყალბადის ბმის კომპლექსურობის უმაღლესი ხარისხი, PAA და MC შუაშია, ხოლო HEC ყველაზე დაბალია.

PAA და CE-ების კომპოზიტური ფილმების ზრდის ქცევა:

PAA-ს და CE-ების ფირის ფორმირების ქცევა LBL აწყობის დროს გამოკვლეული იყო QCM და სპექტრალური ინტერფერომეტრიის გამოყენებით. QCM ეფექტურია ფირის ზრდის ადგილზე მონიტორინგისთვის პირველი აწყობის ციკლის განმავლობაში. სპექტრული ინტერფერომეტრები შესაფერისია 10 ციკლზე გაზრდილი ფილმებისთვის.

HEC/PAA ფილმმა აჩვენა წრფივი ზრდა LBL აწყობის პროცესში, ხოლო MC/PAA და HPC/PAA ფილმებმა აჩვენეს ექსპონენციალური ზრდა შეკრების ადრეულ ეტაპებზე და შემდეგ გარდაიქმნა ხაზოვან ზრდად. ხაზოვანი ზრდის რეგიონში, რაც უფრო მაღალია კომპლექსურობის ხარისხი, მით მეტია სისქის ზრდა შეკრების ციკლზე.

ხსნარის pH ეფექტი ფირის ზრდაზე:

ხსნარის pH მნიშვნელობა გავლენას ახდენს წყალბადის შეკრული პოლიმერული კომპოზიტური ფილმის ზრდაზე. როგორც სუსტი პოლიელექტროლიტი, PAA იქნება იონიზებული და უარყოფითად დამუხტული ხსნარის pH-ის მატებასთან ერთად, რითაც თრგუნავს წყალბადის ბმას. როდესაც PAA-ის იონიზაციის ხარისხმა მიაღწია გარკვეულ დონეს, PAA ვერ შეიკრიბა ფილმში წყალბადის ბმის მიმღებებით LBL-ში.

ფილმის სისქე მცირდება ხსნარის pH-ის მატებასთან ერთად, ხოლო ფირის სისქე მცირდება უეცრად pH2.5 HPC/PAA-ზე და pH3.0-3.5 HPC/PAA-ზე. HPC/PAA-ის კრიტიკული წერტილი არის დაახლოებით pH 3.5, ხოლო HEC/PAA არის დაახლოებით 3.0. ეს ნიშნავს, რომ როდესაც ასამბლეის ხსნარის pH 3.5-ზე მაღალია, HPC/PAA ფილმი ვერ წარმოიქმნება, ხოლო როდესაც ხსნარის pH 3.0-ზე მაღალია, HEC/PAA ფილმი ვერ წარმოიქმნება. HPC/PAA მემბრანის წყალბადური ბმის კომპლექსურობის უფრო მაღალი ხარისხის გამო, HPC/PAA მემბრანის კრიტიკული pH მნიშვნელობა უფრო მაღალია, ვიდრე HEC/PAA მემბრანის. უმარილო ხსნარში, HEC/PAA, MC/PAA და HPC/PAA მიერ წარმოქმნილი კომპლექსების კრიტიკული pH მნიშვნელობები იყო დაახლოებით 2.9, 3.2 და 3.7, შესაბამისად. HPC/PAA-ს კრიტიკული pH უფრო მაღალია, ვიდრე HEC/PAA, რაც შეესაბამება LBL მემბრანის pH-ს.

CE/PAA მემბრანის წყლის შთანთქმის მოქმედება:

CES მდიდარია ჰიდროქსილის ჯგუფებით, ამიტომ მას აქვს კარგი წყლის შთანთქმა და წყლის შეკავება. HEC/PAA მემბრანის მაგალითის მიღებით, შესწავლილი იქნა წყალბადით შეკრული CE/PAA მემბრანის ადსორბციის უნარი გარემოში წყალში. ახასიათებს სპექტრული ინტერფერომეტრია, ფირის სისქე იზრდება, როდესაც ფილმი შთანთქავს წყალს. იგი მოთავსებულია გარემოში რეგულირებადი ტენიანობით 25°C ტემპერატურაზე 24 საათის განმავლობაში წყლის შთანთქმის წონასწორობის მისაღწევად. ფილმები აშრობდა ვაკუუმურ ღუმელში (40 °C) 24 საათის განმავლობაში, რათა მთლიანად მოეშორებინა ტენიანობა.

ტენიანობის მატებასთან ერთად, ფილმი სქელდება. დაბალი ტენიანობის ზონაში 30%-50%, სისქის ზრდა შედარებით ნელია. როდესაც ტენიანობა 50%-ს აჭარბებს, სისქე სწრაფად იზრდება. წყალბადით შეკრულ PVPON/PAA მემბრანასთან შედარებით, HEC/PAA მემბრანას შეუძლია მეტი წყლის შთანთქმა გარემოდან. 70% (25°C) ფარდობითი ტენიანობის პირობებში, PVPON/PAA ფირის გასქელების დიაპაზონი არის დაახლოებით 4%, ხოლო HEC/PAA ფირის მაღალია დაახლოებით 18%. შედეგებმა აჩვენა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ HEC/PAA სისტემაში OH ჯგუფების გარკვეული რაოდენობა მონაწილეობდა წყალბადის ბმების ფორმირებაში, მაინც არსებობდა OH ჯგუფების მნიშვნელოვანი რაოდენობა, რომლებიც ურთიერთქმედებენ წყალთან გარემოში. ამიტომ, HEC/PAA სისტემას აქვს კარგი წყლის შთანთქმის თვისებები.

დასკვნის სახით

(1) HPC/PAA სისტემას CE და PAA წყალბადის კავშირის უმაღლესი ხარისხით აქვს ყველაზე სწრაფი ზრდა მათ შორის, MC/PAA შუაშია და HEC/PAA ყველაზე დაბალი.

(2) HEC/PAA ფილმმა აჩვენა წრფივი ზრდის რეჟიმი მთელი მომზადების პროცესის განმავლობაში, ხოლო დანარჩენი ორი ფილმი MC/PAA და HPC/PAA აჩვენებდნენ ექსპონენციალურ ზრდას პირველ რამდენიმე ციკლში, შემდეგ კი გარდაიქმნა ხაზოვანი ზრდის რეჟიმში.

(3) CE/PAA ფირის ზრდას აქვს ძლიერი დამოკიდებულება ხსნარის pH-ზე. როდესაც ხსნარის pH უფრო მაღალია ვიდრე მისი კრიტიკული წერტილი, PAA და CE ვერ იკრიბებიან ფილმში. აწყობილი CE/PAA მემბრანა ხსნადი იყო მაღალი pH ხსნარებში.

(4) ვინაიდან CE/PAA ფილმი მდიდარია OH და COOH-ით, თერმული დამუშავება ხდის მას ჯვარედინი კავშირს. ჯვარედინი CE/PAA მემბრანას აქვს კარგი სტაბილურობა და უხსნადია მაღალი pH ხსნარებში.

(5) CE/PAA ფილმს აქვს გარემოში წყლის კარგი ადსორბციის უნარი.