Antecedentes de investigación
Como recurso natural, abundante e renovable, a celulosa atopa grandes retos nas aplicacións prácticas debido ás súas propiedades de non fusión e limitada solubilidade. A alta cristalinidade e os enlaces de hidróxeno de alta densidade na estrutura da celulosa fan que se degrade pero non se derrita durante o proceso de posesión e sexa insoluble en auga e na maioría dos disolventes orgánicos. Os seus derivados prodúcense pola esterificación e eterificación dos grupos hidroxilo das unidades de anhidroglicosa da cadea polimérica, e presentarán algunhas propiedades diferentes en comparación coa celulosa natural. A reacción de eterificación da celulosa pode xerar moitos éteres de celulosa solubles en auga, como a metil celulosa (MC), a hidroxietil celulosa (HEC) e a hidroxipropil celulosa (HPC), que son moi utilizadas en alimentos, cosméticos, produtos farmacéuticos e medicina. O CE soluble en auga pode formar polímeros enlazados por hidróxeno con ácidos policarboxílicos e polifenois.
A ensamblaxe capa por capa (LBL) é un método eficaz para preparar películas finas compostas de polímeros. A continuación descríbese principalmente a ensamblaxe de LBL de tres CE diferentes de HEC, MC e HPC con PAA, compara o seu comportamento de ensamblaxe e analiza a influencia dos substituíntes na ensamblaxe de LBL. Investiga o efecto do pH no espesor da película e as diferentes diferenzas de pH na formación e disolución da película, e desenvolve as propiedades de absorción de auga do CE/PAA.
Materiais experimentais:
Ácido poliacrílico (PAA, Mw = 450.000). A viscosidade da solución acuosa ao 2% en peso de hidroxietilcelulosa (HEC) é de 300 mPa·s e o grao de substitución é de 2,5. Metilcelulosa (MC, unha solución acuosa ao 2% en peso cunha viscosidade de 400 mPa·s e un grao de substitución de 1,8). Hidroxipropil celulosa (HPC, unha solución acuosa ao 2% en peso cunha viscosidade de 400 mPa·s e un grao de substitución de 2,5).
Preparación da película:
Preparado por ensamblaxe de capa de cristal líquido sobre silicio a 25 °C. O método de tratamento da matriz de láminas é o seguinte: remollo en solución ácida (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) durante 30 min, despois enxágüe con auga desionizada varias veces ata que o pH sexa neutro e, finalmente, secar con nitróxeno puro. A montaxe de LBL realízase mediante maquinaria automática. O substrato foi empapado alternativamente en solución CE (0,2 mg/ml) e solución PAA (0,2 mg/ml), cada solución foi empapada durante 4 min. Realizáronse tres enxágües de 1 min cada un en auga desionizada entre cada inmersión en solución para eliminar o polímero pouco unido. Os valores de pH da solución de montaxe e da solución de lavado axustáronse a pH 2,0. As películas preparadas denomínanse como (CE/PAA)n, onde n denota o ciclo de montaxe. Elaboráronse principalmente (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 e (HPC/PAA)30.
Caracterización cinematográfica:
Rexistráronse e analizáronse espectros de reflectancia case normais con NanoCalc-XR Ocean Optics e mediuse o grosor das películas depositadas no silicio. Cun substrato de silicio en branco como fondo, o espectro FT-IR da película fina do substrato de silicio foi recollido nun espectrómetro de infravermellos Nicolet 8700.
Interaccións de enlaces de hidróxeno entre PAA e CE:
Montaxe de HEC, MC e HPC con PAA en películas LBL. Na figura móstranse os espectros infravermellos de HEC/PAA, MC/PAA e HPC/PAA. Os sinais IR fortes de PAA e CES pódense observar claramente nos espectros IR de HEC/PAA, MC/PAA e HPC/PAA. A espectroscopia FT-IR pode analizar a complexación de enlaces de hidróxeno entre PAA e CES mediante o seguimento do cambio das bandas de absorción características. Os enlaces de hidróxeno entre CES e PAA ocorren principalmente entre o osíxeno hidroxilo do CES e o grupo COOH do PAA. Despois de que se forma o enlace de hidróxeno, o pico de estiramento do vermello desprázase á dirección de baixa frecuencia.
Observouse un pico de 1710 cm-1 para o po de PAA puro. Cando a poliacrilamida se ensamblaba en películas con diferentes CE, os picos das películas HEC/PAA, MC/PAA e MPC/PAA situáronse en 1718 cm-1, 1720 cm-1 e 1724 cm-1, respectivamente. En comparación co po de PAA puro, as lonxitudes máximas das películas HPC/PAA, MC/PAA e HEC/PAA cambiaron 14, 10 e 8 cm−1, respectivamente. O enlace de hidróxeno entre o osíxeno éter e o COOH interrompe o enlace de hidróxeno entre os grupos COOH. Cantos máis enlaces de hidróxeno se forman entre PAA e CE, maior será o cambio de pico de CE/PAA nos espectros IR. O HPC ten o maior grao de complexación de enlaces de hidróxeno, PAA e MC están no medio e HEC é o máis baixo.
Comportamento de crecemento de películas compostas de PAA e CE:
O comportamento de formación de películas de PAA e CE durante a montaxe de LBL foi investigado mediante QCM e interferometría espectral. QCM é eficaz para controlar o crecemento da película in situ durante os primeiros ciclos de montaxe. Os interferómetros espectrais son axeitados para películas cultivadas durante 10 ciclos.
A película HEC/PAA mostrou un crecemento lineal ao longo do proceso de ensamblaxe LBL, mentres que as películas MC/PAA e HPC/PAA mostraron un crecemento exponencial nas primeiras fases de ensamblaxe e despois transformáronse nun crecemento lineal. Na rexión de crecemento lineal, canto maior sexa o grao de complexación, maior será o crecemento do espesor por ciclo de montaxe.
Efecto do pH da solución no crecemento da película:
O valor do pH da solución afecta o crecemento da película composta de polímero unido por hidróxeno. Como polielectrolito débil, o PAA ionizarase e cargarase negativamente a medida que aumenta o pH da solución, inhibindo así a asociación de enlaces de hidróxeno. Cando o grao de ionización do PAA alcanzou un certo nivel, o PAA non puido ensamblarse nunha película con aceptores de enlaces de hidróxeno en LBL.
O grosor da película diminuíu co aumento do pH da solución e o grosor da película diminuíu de súpeto a pH 2,5 HPC/PAA e pH 3,0-3,5 HPC/PAA. O punto crítico de HPC/PAA é de aproximadamente 3,5, mentres que o de HEC/PAA é de aproximadamente 3,0. Isto significa que cando o pH da solución de montaxe é superior a 3,5, non se pode formar a película HPC/PAA, e cando o pH da solución é superior a 3,0, non se pode formar a película HEC/PAA. Debido ao maior grao de complexación de enlaces de hidróxeno da membrana HPC/PAA, o valor crítico de pH da membrana HPC/PAA é maior que o da membrana HEC/PAA. En solución sen sal, os valores críticos de pH dos complexos formados por HEC/PAA, MC/PAA e HPC/PAA foron de aproximadamente 2,9, 3,2 e 3,7, respectivamente. O pH crítico de HPC/PAA é maior que o de HEC/PAA, o que é consistente co da membrana LBL.
Rendemento de absorción de auga da membrana CE/PAA:
O CES é rico en grupos hidroxilo polo que ten unha boa absorción de auga e retención de auga. Tomando como exemplo a membrana HEC/PAA, estudouse a capacidade de adsorción da membrana CE/PAA unida por enlaces de hidróxeno á auga no ambiente. Caracterizada pola interferometría espectral, o grosor da película aumenta a medida que a película absorbe auga. Colocouse nun ambiente con humidade regulable a 25 °C durante 24 horas para lograr o equilibrio de absorción de auga. As películas secáronse nun forno ao baleiro (40 °C) durante 24 h para eliminar completamente a humidade.
A medida que aumenta a humidade, a película engrosa. Na zona de baixa humidade do 30%-50%, o crecemento do espesor é relativamente lento. Cando a humidade supera o 50%, o espesor crece rapidamente. En comparación coa membrana PVPON/PAA unida por hidróxeno, a membrana HEC/PAA pode absorber máis auga do medio ambiente. Baixo a condición de humidade relativa do 70% (25 °C), o rango de espesamento da película PVPON/PAA é de aproximadamente o 4%, mentres que o da película HEC/PAA é de aproximadamente o 18%. Os resultados mostraron que aínda que unha certa cantidade de grupos OH no sistema HEC/PAA participaron na formación de enlaces de hidróxeno, aínda había un número considerable de grupos OH interactuando coa auga no ambiente. Polo tanto, o sistema HEC/PAA ten boas propiedades de absorción de auga.
en conclusión
(1) O sistema HPC/PAA co grao de enlace de hidróxeno máis alto de CE e PAA ten o crecemento máis rápido entre eles, MC/PAA está no medio e HEC/PAA é o máis baixo.
(2) A película HEC/PAA mostrou un modo de crecemento lineal durante todo o proceso de preparación, mentres que as outras dúas películas MC/PAA e HPC/PAA mostraron un crecemento exponencial nos primeiros ciclos, e despois transformáronse nun modo de crecemento lineal.
(3) O crecemento da película CE/PAA ten unha forte dependencia do pH da solución. Cando o pH da solución é superior ao seu punto crítico, PAA e CE non poden ensamblarse nunha película. A membrana CE/PAA ensamblada era soluble en solucións de pH alto.
(4) Dado que a película CE/PAA é rica en OH e COOH, o tratamento térmico fai que se entrecruce. A membrana reticulada CE/PAA ten unha boa estabilidade e é insoluble en solucións de pH alto.
(5) A película CE/PAA ten unha boa capacidade de adsorción de auga no medio ambiente.
Hora de publicación: 18-feb-2023