Forskningsbakgrund
Som en naturlig, riklig och förnybar resurs möter cellulosa stora utmaningar i praktiska tillämpningar på grund av dess icke-smältande och begränsade löslighetsegenskaper.Den höga kristalliniteten och högdensitetsvätebindningarna i cellulosastrukturen gör att den bryts ned men inte smälter under innehavsprocessen och är olöslig i vatten och de flesta organiska lösningsmedel.Deras derivat framställs genom förestring och företring av hydroxylgrupperna på anhydroglukosenheterna i polymerkedjan och kommer att uppvisa några olika egenskaper jämfört med naturlig cellulosa.Företringsreaktionen av cellulosa kan generera många vattenlösliga cellulosaetrar, såsom metylcellulosa (MC), hydroxietylcellulosa (HEC) och hydroxipropylcellulosa (HPC), som används i stor utsträckning i livsmedel, kosmetika, i läkemedel och medicin.Vattenlösligt CE kan bilda vätebundna polymerer med polykarboxylsyror och polyfenoler.
Layer-by-layer assembly (LBL) är en effektiv metod för att framställa tunna polymerkompositfilmer.Följande beskriver huvudsakligen LBL-sammansättningen av tre olika CE:er av HEC, MC och HPC med PAA, jämför deras monteringsbeteende och analyserar inverkan av substituenter på LBL-sammansättning.Undersök effekten av pH på filmtjockleken, och de olika pH-skillnaderna på filmbildning och upplösning, och utveckla vattenabsorptionsegenskaperna hos CE/PAA.
Experimentellt material:
Polyakrylsyra (PAA, Mw = 450 000).Viskositeten för 2 viktprocent vattenlösning av hydroxietylcellulosa (HEC) är 300 mPa·s, och substitutionsgraden är 2,5.Metylcellulosa (MC, en 2 viktprocent vattenlösning med en viskositet av 400 mPa·s och en substitutionsgrad av 1,8).Hydroxipropylcellulosa (HPC, en 2 viktprocent vattenlösning med en viskositet av 400 mPa·s och en substitutionsgrad av 2,5).
Filmförberedelser:
Framställd genom flytande kristallskiktsmontering på kisel vid 25°C.Behandlingsmetoden för objektglasmatrisen är som följer: blötlägg i sur lösning (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) i 30 minuter, skölj sedan med avjoniserat vatten flera gånger tills pH-värdet blir neutralt och torka slutligen med rent kväve.LBL-montering utförs med automatiska maskiner.Substratet blötlades omväxlande i CE-lösning (0,2 mg/ml) och PAA-lösning (0,2 mg/ml), varje lösning blötlades i 4 min.Tre sköljningar på 1 min vardera i avjoniserat vatten utfördes mellan varje lösningsblötläggning för att avlägsna löst fäst polymer.pH-värdena för sammansättningslösningen och sköljlösningen justerades båda till pH 2,0.De framställda filmerna betecknas som (CE/PAA)n, där n betecknar monteringscykeln.(HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 och (HPC/PAA)30 framställdes huvudsakligen.
Filmkaraktär:
Nästan normala reflektansspektra registrerades och analyserades med NanoCalc-XR Ocean Optics, och tjockleken på filmer avsatta på kisel mättes.Med ett blankt kiselsubstrat som bakgrund uppsamlades FT-IR-spektrumet för den tunna filmen på kiselsubstratet på en Nicolet 8700 infraröd spektrometer.
Vätebindningsinteraktioner mellan PAA och CE:
Montering av HEC, MC och HPC med PAA till LBL-filmer.De infraröda spektra för HEC/PAA, MC/PAA och HPC/PAA visas i figuren.De starka IR-signalerna från PAA och CES kan tydligt observeras i IR-spektra för HEC/PAA, MC/PAA och HPC/PAA.FT-IR-spektroskopi kan analysera vätebindningskomplexbildningen mellan PAA och CES genom att övervaka förskjutningen av karakteristiska absorptionsband.Vätebindningen mellan CES och PAA sker huvudsakligen mellan hydroxylsyren i CES och COOH-gruppen i PAA.Efter att vätebindningen har bildats skiftar den röda sträckningstoppen till lågfrekvensriktningen.
En topp på 1710 cm-1 observerades för rent PAA-pulver.När polyakrylamid sattes ihop till filmer med olika CE, var topparna för HEC/PAA, MC/PAA och MPC/PAA filmer lokaliserade till 1718 cm-1, 1720 cm-1 respektive 1724 cm-1.Jämfört med rent PAA-pulver skiftade topplängderna för HPC/PAA-, MC/PAA- och HEC/PAA-filmer med 14, 10 respektive 8 cm−1.Vätebindningen mellan etersyren och COOH avbryter vätebindningen mellan COOH-grupperna.Ju fler vätebindningar som bildas mellan PAA och CE, desto större är toppförskjutningen av CE/PAA i IR-spektra.HPC har den högsta graden av vätebindningskomplexbildning, PAA och MC är i mitten och HEC är den lägsta.
Tillväxtbeteende för kompositfilmer av PAA och CE:
Det filmbildande beteendet hos PAA och CE under LBL-montering undersöktes med QCM och spektral interferometri.QCM är effektivt för att övervaka filmtillväxt på plats under de första monteringscyklerna.Spektralinterferometrar är lämpliga för filmer som odlats över 10 cykler.
HEC/PAA-filmen visade en linjär tillväxt under LBL-sammansättningsprocessen, medan MC/PAA- och HPC/PAA-filmerna visade en exponentiell tillväxt i de tidiga monteringsstadierna och omvandlades sedan till en linjär tillväxt.I den linjära tillväxtregionen, ju högre grad av komplexbildning, desto större tjocklekstillväxt per monteringscykel.
Effekt av lösningens pH på filmtillväxt:
Lösningens pH-värde påverkar tillväxten av den vätebundna polymerkompositfilmen.Som en svag polyelektrolyt kommer PAA att joniseras och laddas negativt när pH i lösningen ökar, och därigenom hämmas vätebindningsassociation.När joniseringsgraden av PAA nådde en viss nivå kunde PAA inte monteras till en film med vätebindningsacceptorer i LBL.
Filmtjockleken minskade med ökningen av lösningens pH, och filmtjockleken minskade plötsligt vid pH 2,5 HPC/PAA och pH 3,0-3,5 HPC/PAA.Den kritiska punkten för HPC/PAA är cirka pH 3,5, medan den för HEC/PAA är cirka 3,0.Detta betyder att när pH-värdet för sammansättningslösningen är högre än 3,5 kan HPC/PAA-filmen inte bildas, och när lösningens pH är högre än 3,0 kan HEC/PAA-filmen inte bildas.På grund av den högre graden av vätebindningskomplexbildning hos HPC/PAA-membranet är det kritiska pH-värdet för HPC/PAA-membranet högre än det för HEC/PAA-membranet.I saltfri lösning var de kritiska pH-värdena för komplexen som bildas av HEC/PAA, MC/PAA och HPC/PAA ca 2,9, 3,2 respektive 3,7.Det kritiska pH-värdet för HPC/PAA är högre än det för HEC/PAA, vilket överensstämmer med det för LBL-membran.
Vattenabsorptionsprestanda för CE/PAA-membran:
CES är rikt på hydroxylgrupper så att det har bra vattenabsorption och vattenretention.Med HEC/PAA-membran som exempel studerades adsorptionskapaciteten hos vätebundet CE/PAA-membran till vatten i miljön.Karaktäriserad av spektral interferometri ökar filmtjockleken när filmen absorberar vatten.Den placerades i en miljö med justerbar luftfuktighet vid 25°C under 24 timmar för att uppnå vattenabsorptionsjämvikt.Filmerna torkades i en vakuumugn (40 °C) i 24 timmar för att fullständigt avlägsna fukten.
När luftfuktigheten ökar tjocknar filmen.I området med låg luftfuktighet på 30%-50% är tjocklekstillväxten relativt långsam.När luftfuktigheten överstiger 50 % växer tjockleken snabbt.Jämfört med det vätebundna PVPON/PAA-membranet kan HEC/PAA-membranet absorbera mer vatten från miljön.Under förhållandet med en relativ fuktighet på 70 % (25°C) är förtjockningsintervallet för PVPON/PAA-film cirka 4 %, medan det för HEC/PAA-film är så högt som cirka 18 %.Resultaten visade att även om en viss mängd OH-grupper i HEC/PAA-systemet deltog i bildandet av vätebindningar, fanns det fortfarande ett stort antal OH-grupper som interagerar med vatten i miljön.Därför har HEC/PAA-systemet goda vattenabsorberande egenskaper.
Sammanfattningsvis
(1) HPC/PAA-systemet med den högsta vätebindningsgraden av CE och PAA har den snabbaste tillväxten bland dem, MC/PAA är i mitten och HEC/PAA är lägst.
(2) HEC/PAA-filmen visade ett linjärt tillväxtläge under hela beredningsprocessen, medan de andra två filmerna MC/PAA och HPC/PAA visade en exponentiell tillväxt under de första cyklerna och transformerades sedan till ett linjärt tillväxtläge.
(3) Tillväxten av CE/PAA-film har ett starkt beroende av lösningens pH.När lösningens pH är högre än dess kritiska punkt, kan PAA och CE inte sammanfogas till en film.Det sammansatta CE/PAA-membranet var lösligt i lösningar med högt pH.
(4) Eftersom CE/PAA-filmen är rik på OH och COOH, gör värmebehandling den tvärbunden.Det tvärbundna CE/PAA-membranet har god stabilitet och är olösligt i lösningar med högt pH.
(5) CE/PAA-filmen har god adsorptionskapacitet för vatten i miljön.
Posttid: 2023-02-18