Bối cảnh nghiên cứu
Là nguồn tài nguyên tự nhiên, dồi dào và có thể tái tạo, cellulose gặp phải những thách thức lớn trong ứng dụng thực tế do đặc tính không tan chảy và khả năng hòa tan hạn chế. Độ kết tinh cao và liên kết hydro mật độ cao trong cấu trúc cellulose làm cho nó bị phân hủy nhưng không tan chảy trong quá trình sở hữu và không hòa tan trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ. Các dẫn xuất của chúng được tạo ra bằng quá trình este hóa và ete hóa các nhóm hydroxyl trên các đơn vị anhydroglucose trong chuỗi polyme và sẽ thể hiện một số tính chất khác so với cellulose tự nhiên. Phản ứng ether hóa cellulose có thể tạo ra nhiều ete cellulose hòa tan trong nước, như methyl cellulose (MC), hydroxyethyl cellulose (HEC) và hydroxypropyl cellulose (HPC), được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và y học. CE hòa tan trong nước có thể tạo thành các polyme liên kết hydro với axit polycarboxylic và polyphenol.
Lắp ráp từng lớp (LBL) là một phương pháp hiệu quả để chuẩn bị màng mỏng tổng hợp polymer. Phần sau đây chủ yếu mô tả quá trình lắp ráp LBL của ba CE khác nhau là HEC, MC và HPC với PAA, so sánh hành vi lắp ráp của chúng và phân tích ảnh hưởng của các nhóm thế đến quá trình lắp ráp LBL. Nghiên cứu ảnh hưởng của độ pH đến độ dày màng và sự khác biệt khác nhau của độ pH đối với sự hình thành và hòa tan màng, đồng thời phát triển các đặc tính hấp thụ nước của CE/PAA.
Vật liệu thí nghiệm:
Axit polyacrylic (PAA, Mw = 450.000). Độ nhớt của dung dịch nước hydroxyethylcellulose (HEC) 2% trọng lượng là 300 mPa·s và mức độ thay thế là 2,5. Methylcellulose (MC, dung dịch nước 2% trọng lượng có độ nhớt 400 mPa·s và mức độ thay thế là 1,8). Hydroxypropyl cellulose (HPC, dung dịch nước 2% trọng lượng có độ nhớt 400 mPa·s và mức độ thay thế là 2,5).
Chuẩn bị phim:
Được điều chế bằng cách lắp ráp lớp tinh thể lỏng trên silicon ở 25°C. Phương pháp xử lý ma trận trượt như sau: ngâm trong dung dịch axit (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) trong 30 phút, sau đó rửa sạch bằng nước khử ion nhiều lần cho đến khi độ pH trở nên trung tính và cuối cùng làm khô bằng nitơ tinh khiết. Việc lắp ráp LBL được thực hiện bằng máy móc tự động. Chất nền được ngâm xen kẽ trong dung dịch CE (0,2 mg/mL) và dung dịch PAA (0,2 mg/mL), mỗi dung dịch được ngâm trong 4 phút. Ba lần ngâm rửa, mỗi lần 1 phút trong nước khử ion được thực hiện giữa mỗi lần ngâm dung dịch để loại bỏ polyme bám lỏng lẻo. Giá trị pH của dung dịch lắp ráp và dung dịch rửa đều được điều chỉnh về pH 2,0. Các màng được chuẩn bị này được ký hiệu là (CE/PAA)n, trong đó n biểu thị chu trình lắp ráp. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 và (HPC/PAA)30 chủ yếu được chuẩn bị.
Đặc điểm phim:
Phổ phản xạ gần như bình thường đã được ghi lại và phân tích bằng NanoCalc-XR Ocean Optics, đồng thời đo độ dày của màng lắng đọng trên silicon. Với chất nền silicon trống làm nền, phổ FT-IR của màng mỏng trên đế silicon được thu thập trên máy quang phổ hồng ngoại Nicolet 8700.
Tương tác liên kết hydro giữa PAA và CE:
Lắp ráp HEC, MC và HPC với PAA thành màng LBL. Phổ hồng ngoại của HEC/PAA, MC/PAA và HPC/PAA được thể hiện trên hình. Tín hiệu IR mạnh của PAA và CES có thể được quan sát rõ ràng trên phổ IR của HEC/PAA, MC/PAA và HPC/PAA. Quang phổ FT-IR có thể phân tích sự tạo phức liên kết hydro giữa PAA và CES bằng cách theo dõi sự dịch chuyển của các dải hấp thụ đặc trưng. Liên kết hydro giữa CES và PAA chủ yếu xảy ra giữa oxy hydroxyl của CES và nhóm COOH của PAA. Sau khi liên kết hydro được hình thành, đỉnh màu đỏ kéo dài sẽ chuyển sang hướng tần số thấp.
Đỉnh 1710 cm-1 được quan sát thấy đối với bột PAA nguyên chất. Khi polyacrylamide được lắp ráp thành các màng có CE khác nhau, các đỉnh của màng HEC/PAA, MC/PAA và MPC/PAA lần lượt nằm ở 1718 cm-1, 1720 cm-1 và 1724 cm-1. So với bột PAA nguyên chất, độ dài cực đại của màng HPC/PAA, MC/PAA và HEC/PAA lần lượt thay đổi 14, 10 và 8 cm−1. Liên kết hydro giữa oxy ete và COOH làm gián đoạn liên kết hydro giữa các nhóm COOH. Càng nhiều liên kết hydro được hình thành giữa PAA và CE thì độ dịch chuyển cực đại của CE/PAA trong phổ IR càng lớn. HPC có mức độ phức hợp liên kết hydro cao nhất, PAA và MC ở giữa và HEC là thấp nhất.
Hành vi tăng trưởng của màng composite PAA và CE:
Hành vi tạo màng của PAA và CE trong quá trình lắp ráp LBL đã được nghiên cứu bằng QCM và phép đo giao thoa quang phổ. QCM có hiệu quả trong việc theo dõi sự phát triển của màng tại chỗ trong vài chu kỳ lắp ráp đầu tiên. Giao thoa kế quang phổ thích hợp cho các màng phát triển trên 10 chu kỳ.
Màng HEC/PAA cho thấy sự tăng trưởng tuyến tính trong suốt quá trình lắp ráp LBL, trong khi màng MC/PAA và HPC/PAA cho thấy sự tăng trưởng theo cấp số nhân trong giai đoạn đầu lắp ráp và sau đó chuyển thành tăng trưởng tuyến tính. Trong vùng tăng trưởng tuyến tính, mức độ phức tạp càng cao thì tốc độ tăng trưởng độ dày trên mỗi chu kỳ lắp ráp càng lớn.
Ảnh hưởng của pH dung dịch đến sự phát triển của màng:
Giá trị pH của dung dịch ảnh hưởng đến sự phát triển của màng composite polymer liên kết hydro. Là một chất điện phân yếu, PAA sẽ bị ion hóa và tích điện âm khi độ pH của dung dịch tăng lên, do đó ức chế sự liên kết liên kết hydro. Khi mức độ ion hóa của PAA đạt đến một mức nhất định, PAA không thể tập hợp thành màng có chất nhận liên kết hydro trong LBL.
Độ dày màng giảm khi tăng pH dung dịch và độ dày màng giảm đột ngột ở pH2,5 HPC/PAA và pH3,0-3,5 HPC/PAA. Điểm tới hạn của HPC/PAA là khoảng pH 3,5, trong khi của HEC/PAA là khoảng 3,0. Điều này có nghĩa là khi độ pH của dung dịch lắp ráp cao hơn 3,5 thì không thể hình thành màng HPC/PAA và khi độ pH của dung dịch cao hơn 3,0 thì không thể hình thành màng HEC/PAA. Do mức độ phức hợp liên kết hydro của màng HPC/PAA cao hơn nên giá trị pH tới hạn của màng HPC/PAA cao hơn so với màng HEC/PAA. Trong dung dịch không có muối, giá trị pH tới hạn của các phức được hình thành bởi HEC/PAA, MC/PAA và HPC/PAA lần lượt là khoảng 2,9, 3,2 và 3,7. Độ pH tới hạn của HPC/PAA cao hơn HEC/PAA, phù hợp với độ pH của màng LBL.
Hiệu suất hút nước của màng CE/PAA:
CES rất giàu nhóm hydroxyl nên có khả năng hút và giữ nước tốt. Lấy màng HEC/PAA làm ví dụ, khả năng hấp phụ của màng CE/PAA liên kết hydro với nước trong môi trường đã được nghiên cứu. Đặc trưng bởi phép đo giao thoa quang phổ, độ dày màng tăng lên khi màng hấp thụ nước. Nó được đặt trong môi trường có độ ẩm có thể điều chỉnh ở 25°C trong 24 giờ để đạt được trạng thái cân bằng hấp thụ nước. Màng được sấy khô trong lò chân không (40 ° C) trong 24 giờ để loại bỏ hoàn toàn độ ẩm.
Khi độ ẩm tăng lên, màng dày lên. Ở khu vực có độ ẩm thấp từ 30% -50%, độ dày tăng trưởng tương đối chậm. Khi độ ẩm vượt quá 50%, độ dày tăng nhanh. So với màng PVPON/PAA liên kết hydro, màng HEC/PAA có thể hấp thụ nhiều nước hơn từ môi trường. Trong điều kiện độ ẩm tương đối 70% (25°C), phạm vi độ dày của màng PVPON/PAA là khoảng 4%, trong khi của màng HEC/PAA cao tới khoảng 18%. Kết quả cho thấy mặc dù có một lượng nhóm OH nhất định trong hệ thống HEC/PAA tham gia hình thành liên kết hydro nhưng vẫn có một số lượng đáng kể nhóm OH tương tác với nước trong môi trường. Vì vậy, hệ thống HEC/PAA có đặc tính hút nước tốt.
Tóm lại
(1) Hệ thống HPC/PAA có mức độ liên kết hydro cao nhất CE và PAA có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong số đó, MC/PAA ở giữa và HEC/PAA là thấp nhất.
(2) Màng HEC/PAA thể hiện chế độ tăng trưởng tuyến tính trong suốt quá trình chuẩn bị, trong khi hai màng còn lại MC/PAA và HPC/PAA cho thấy mức tăng trưởng theo cấp số nhân trong vài chu kỳ đầu tiên, sau đó chuyển sang chế độ tăng trưởng tuyến tính.
(3) Sự phát triển của màng CE/PAA phụ thuộc rất nhiều vào pH dung dịch. Khi pH dung dịch cao hơn điểm tới hạn, PAA và CE không thể tập hợp thành màng. Màng CE/PAA đã lắp ráp có thể hòa tan trong dung dịch có độ pH cao.
(4) Vì màng CE/PAA rất giàu OH và COOH nên việc xử lý nhiệt làm cho nó có liên kết ngang. Màng CE/PAA liên kết ngang có độ ổn định tốt và không hòa tan trong dung dịch có độ pH cao.
(5) Màng CE/PAA có khả năng hấp phụ tốt nước trong môi trường.
Thời gian đăng: Feb-18-2023