Sfondi i Kërkimit
Si një burim natyror, i bollshëm dhe i rinovueshëm, celuloza përballet me sfida të mëdha në aplikimet praktike për shkak të vetive të saj jo të shkrirjes dhe tretshmërisë së kufizuar. Kristaliteti i lartë dhe lidhjet hidrogjenore me densitet të lartë në strukturën e celulozës e bëjnë atë të degradohet, por të mos shkrihet gjatë procesit të zotërimit, dhe të pazgjidhshëm në ujë dhe në shumicën e tretësve organikë. Derivatet e tyre prodhohen nga esterifikimi dhe eterifikimi i grupeve hidroksil në njësitë e anhidroglukozës në zinxhirin e polimerit dhe do të shfaqin disa veti të ndryshme në krahasim me celulozën natyrale. Reaksioni i eterifikimit të celulozës mund të gjenerojë shumë eterë celulozë të tretshëm në ujë, të tilla si celuloza metil (MC), hidroksietil celuloza (HEC) dhe hidroksipropil celuloza (HPC), të cilat përdoren gjerësisht në ushqim, kozmetikë, në farmaceutikë dhe mjekësi. CE i tretshëm në ujë mund të formojë polimere të lidhura me hidrogjen me acide polikarboksilike dhe polifenole.
Montimi shtresa-për-shtresë (LBL) është një metodë efektive për përgatitjen e filmave të hollë të përbërë nga polimer. Më poshtë kryesisht përshkruan montimin LBL të tre CE-ve të ndryshëm të HEC, MC dhe HPC me PAA, krahason sjelljen e tyre të montimit dhe analizon ndikimin e zëvendësuesve në montimin LBL. Hetoni efektin e pH në trashësinë e filmit dhe ndryshimet e ndryshme të pH në formimin dhe shpërbërjen e filmit dhe zhvilloni vetitë e thithjes së ujit të CE/PAA.
Materialet eksperimentale:
Acidi poliakrilik (PAA, Mw = 450,000). Viskoziteti i tretësirës ujore 2 wt.% të hidroksietilcelulozës (HEC) është 300 mPa·s dhe shkalla e zëvendësimit është 2,5. Metilcelulozë (MC, një zgjidhje ujore 2% peshë me një viskozitet prej 400 mPa·s dhe një shkallë zëvendësimi prej 1,8). Hidroksipropil celulozë (HPC, një tretësirë ujore 2 wt.% me një viskozitet prej 400 mPa·s dhe një shkallë zëvendësimi prej 2,5).
Përgatitja e filmit:
Përgatitur nga montimi i shtresës së kristalit të lëngshëm në silikon në 25°C. Metoda e trajtimit të matricës së rrëshqitjes është si më poshtë: zhyteni në tretësirë acidike (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) për 30 minuta, më pas shpëlajeni me ujë të deionizuar disa herë derisa pH të bëhet neutral dhe në fund thajeni me azot të pastër. Montimi i LBL kryhet duke përdorur makineri automatike. Substrati u zhyt në mënyrë alternative në tretësirë CE (0.2 mg/mL) dhe tretësirë PAA (0.2 mg/mL), secila tretësirë u zhyt për 4 minuta. Tre shpëlarje nga 1 min secila në ujë të dejonizuar u kryen ndërmjet çdo njomjeje me tretësirë për të hequr polimerin e lidhur lirshëm. Vlerat e pH të tretësirës së montimit dhe tretësirës së shpëlarjes u rregulluan të dyja në pH 2.0. Filmat e përgatitur siç janë shënuar si (CE/PAA)n, ku n tregon ciklin e montimit. Kryesisht u përgatitën (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 dhe (HPC/PAA)30.
Karakterizimi i filmit:
Spektrat e reflektimit afër normales u regjistruan dhe u analizuan me NanoCalc-XR Ocean Optics dhe u mat trashësia e filmave të depozituar në silikon. Me një substrat bosh silikoni si sfond, spektri FT-IR i filmit të hollë në nënshtresën e silikonit u mblodh në një spektrometër infra të kuqe Nicolet 8700.
Ndërveprimet e lidhjeve hidrogjenore midis PAA dhe CEs:
Montimi i HEC, MC dhe HPC me PAA në filma LBL. Spektrat infra të kuqe të HEC/PAA, MC/PAA dhe HPC/PAA janë paraqitur në figurë. Sinjalet e forta IR të PAA dhe CES mund të vërehen qartë në spektrat IR të HEC/PAA, MC/PAA dhe HPC/PAA. Spektroskopia FT-IR mund të analizojë kompleksitetin e lidhjes hidrogjenore midis PAA dhe CES duke monitoruar zhvendosjen e brezave karakteristikë të përthithjes. Lidhja hidrogjenore midis CES dhe PAA ndodh kryesisht midis oksigjenit hidroksil të CES dhe grupit COOH të PAA. Pasi të formohet lidhja hidrogjenore, kulmi i shtrirjes së kuqe kalon në drejtimin e frekuencës së ulët.
Një kulm prej 1710 cm-1 u vu re për pluhurin e pastër PAA. Kur poliakrilamidi u grumbullua në filma me CE të ndryshëm, majat e filmave HEC/PAA, MC/PAA dhe MPC/PAA u vendosën përkatësisht në 1718 cm-1, 1720 cm-1 dhe 1724 cm-1. Krahasuar me pluhurin e pastër PAA, gjatësitë e pikut të filmave HPC/PAA, MC/PAA dhe HEC/PAA u zhvendosën përkatësisht me 14, 10 dhe 8 cm−1. Lidhja hidrogjenore midis oksigjenit eter dhe COOH ndërpret lidhjen hidrogjenore midis grupeve COOH. Sa më shumë lidhje hidrogjeni të formohen midis PAA dhe CE, aq më i madh është zhvendosja e pikut të CE/PAA në spektrat IR. HPC ka shkallën më të lartë të kompleksimit të lidhjeve hidrogjenore, PAA dhe MC janë në mes, dhe HEC është më e ulëta.
Sjellja e rritjes së filmave të përbërë të PAA dhe CEs:
Sjellja e formimit të filmit të PAA dhe CE-ve gjatë montimit LBL u hetua duke përdorur QCM dhe interferometrinë spektrale. QCM është efektiv për monitorimin e rritjes së filmit në vend gjatë cikleve të para të montimit. Interferometrat spektralë janë të përshtatshëm për filma të rritur mbi 10 cikle.
Filmi HEC/PAA tregoi një rritje lineare gjatë gjithë procesit të montimit LBL, ndërsa filmat MC/PAA dhe HPC/PAA treguan një rritje eksponenciale në fazat e hershme të montimit dhe më pas u transformuan në një rritje lineare. Në rajonin e rritjes lineare, sa më e lartë të jetë shkalla e kompleksitetit, aq më e madhe është rritja e trashësisë për cikël montimi.
Efekti i pH-së së tretësirës në rritjen e filmit:
Vlera e pH e tretësirës ndikon në rritjen e filmit të përbërë polimer të lidhur me hidrogjen. Si një polielektrolit i dobët, PAA do të jonizohet dhe do të ngarkohet negativisht ndërsa pH e tretësirës rritet, duke penguar kështu lidhjen e lidhjes hidrogjenore. Kur shkalla e jonizimit të PAA arriti një nivel të caktuar, PAA nuk mund të mblidhej në një film me pranues të lidhjeve hidrogjenore në LBL.
Trashësia e filmit u ul me rritjen e pH të tretësirës dhe trashësia e filmit u ul papritur në pH2.5 HPC/PAA dhe pH3.0-3.5 HPC/PAA. Pika kritike e HPC/PAA është rreth pH 3.5, ndërsa ajo e HEC/PAA është rreth 3.0. Kjo do të thotë se kur pH e tretësirës së montimit është më e lartë se 3.5, filmi HPC/PAA nuk mund të formohet dhe kur pH i tretësirës është më i lartë se 3.0, filmi HEC/PAA nuk mund të formohet. Për shkak të shkallës më të lartë të kompleksimit të lidhjes hidrogjenore të membranës HPC/PAA, vlera kritike e pH e membranës HPC/PAA është më e lartë se ajo e membranës HEC/PAA. Në tretësirën pa kripë, vlerat kritike të pH të komplekseve të formuara nga HEC/PAA, MC/PAA dhe HPC/PAA ishin përkatësisht rreth 2.9, 3.2 dhe 3.7. PH kritik i HPC/PAA është më i lartë se ai i HEC/PAA, i cili është në përputhje me atë të membranës LBL.
Performanca e thithjes së ujit të membranës CE/PAA:
CES është i pasur me grupe hidroksil në mënyrë që të ketë thithjen e mirë të ujit dhe mbajtjen e ujit. Duke marrë si shembull membranën HEC/PAA, u studiua kapaciteti i absorbimit të membranës CE/PAA të lidhur me hidrogjen ndaj ujit në mjedis. E karakterizuar nga interferometria spektrale, trashësia e filmit rritet ndërsa filmi thith ujin. Ai u vendos në një mjedis me lagështi të rregullueshme në 25°C për 24 orë për të arritur ekuilibrin e thithjes së ujit. Filmat u thanë në një furrë me vakum (40 °C) për 24 orë për të hequr plotësisht lagështinë.
Me rritjen e lagështisë, filmi trashet. Në zonën me lagështi të ulët prej 30%-50%, rritja e trashësisë është relativisht e ngadaltë. Kur lagështia kalon 50%, trashësia rritet me shpejtësi. Krahasuar me membranën PVPON/PAA të lidhur me hidrogjen, membrana HEC/PAA mund të thithë më shumë ujë nga mjedisi. Në kushtet e lagështisë relative prej 70% (25°C), diapazoni i trashjes së filmit PVPON/PAA është rreth 4%, ndërsa ai i filmit HEC/PAA është deri në rreth 18%. Rezultatet treguan se megjithëse një sasi e caktuar grupesh OH në sistemin HEC/PAA morën pjesë në formimin e lidhjeve hidrogjenore, kishte ende një numër të konsiderueshëm grupesh OH që ndërvepronin me ujin në mjedis. Prandaj, sistemi HEC/PAA ka veti të mira absorbuese të ujit.
në përfundim
(1) Sistemi HPC/PAA me shkallën më të lartë të lidhjes hidrogjenore të CE dhe PAA ka rritjen më të shpejtë midis tyre, MC/PAA është në mes dhe HEC/PAA është më i ulëti.
(2) Filmi HEC/PAA tregoi një mënyrë rritjeje lineare gjatë gjithë procesit të përgatitjes, ndërsa dy filmat e tjerë MC/PAA dhe HPC/PAA treguan një rritje eksponenciale në ciklet e para, dhe më pas u shndërruan në një mënyrë rritjeje lineare.
(3) Rritja e filmit CE/PAA ka një varësi të fortë nga pH e tretësirës. Kur pH i tretësirës është më i lartë se pika e tij kritike, PAA dhe CE nuk mund të bashkohen në një film. Membrana e montuar CE/PAA ishte e tretshme në solucione me pH të lartë.
(4) Meqenëse filmi CE/PAA është i pasur me OH dhe COOH, trajtimi termik e bën atë të ndërlidhur. Membrana CE/PAA e ndërlidhur ka qëndrueshmëri të mirë dhe është e patretshme në solucione me pH të lartë.
(5) Filmi CE/PAA ka kapacitet të mirë absorbues për ujin në mjedis.
Koha e postimit: Shkurt-18-2023