Bối cảnh nghiên cứu
Là một nguồn tài nguyên thiên nhiên, dồi dào và có thể tái tạo, xenluloza gặp phải những thách thức lớn trong các ứng dụng thực tế do tính chất không nóng chảy và độ hòa tan hạn chế của nó. Độ kết tinh cao và liên kết hydro mật độ cao trong cấu trúc xenluloza khiến 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 cách 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 xenluloza tự nhiên. Phản ứng ete hóa của xenluloza có thể tạo ra nhiều ete xenluloza tan trong nước, chẳng hạn như metyl xenluloza (MC), hydroxyethyl xenluloza (HEC) và hydroxypropyl xenluloza (HPC), được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và y học. CE tan trong nước có thể tạo thành polyme liên kết hydro với axit polycarboxylic và polyphenol.
Lắp ráp từng lớp (LBL) là một phương pháp hiệu quả để chế tạo màng mỏng composite polyme. Nội dung 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 chất thay thế lên quá trình lắp ráp LBL. Nghiên cứu ảnh hưởng của pH lên độ dày màng và sự khác biệt khác nhau của pH lên quá trình 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) 2wt.% là 300 mPa·s, và độ thay thế là 2,5. Methylcellulose (MC, dung dịch nước 2wt.% có độ nhớt là 400 mPa·s và độ thay thế là 1,8). Hydroxypropyl cellulose (HPC, dung dịch nước 2wt.% có độ nhớt là 400 mPa·s và độ thay thế là 2,5).
Chuẩn bị phim:
Được chuẩn bị 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 pH trở nên trung tính và cuối cùng sấy khô bằng nitơ tinh khiết. 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 đến pH 2,0. Các màng được chuẩn bị như sau được ký hiệu là (CE/PAA)n, trong đó n biểu thị chu kỳ lắp ráp. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 và (HPC/PAA)30 chủ yếu được chuẩn bị.
Đặc điểm phim:
Phổ phản xạ gần bình thường được ghi lại và phân tích bằng NanoCalc-XR Ocean Optics, và độ dày của màng phủ trên silicon được đo. Với nền silicon trống làm nền, phổ FT-IR của màng mỏng trên nền 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 vào màng LBL. Phổ hồng ngoại của HEC/PAA, MC/PAA và HPC/PAA được thể hiện trong hình. Có thể quan sát rõ các tín hiệu IR mạnh của PAA và CES trong phổ IR của HEC/PAA, MC/PAA và HPC/PAA. Phổ FT-IR có thể phân tích sự phức hợp 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 kéo dài màu đỏ dịch chuyển sang hướng tần số thấp.
Một đỉnh 1710 cm-1 đã 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 nằm ở lần lượt là 1718 cm-1, 1720 cm-1 và 1724 cm-1. So với bột PAA nguyên chất, độ dài đỉnh của màng HPC/PAA, MC/PAA và HEC/PAA dịch chuyển lần lượt là 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 hình thành giữa PAA và CE, thì độ dịch chuyển đỉnh 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 tổng hợp PAA và CE:
Hành vi hình thành màng của PAA và CE trong quá trình lắp ráp LBL đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng QCM và giao thoa 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 phổ phù hợp với các màng được phát triển trong hơn 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 của quá trình lắp ráp và sau đó chuyển thành tăng trưởng tuyến tính. Trong vùng tăng trưởng tuyến tính, mức độ phức tạp càng cao thì độ dày tăng trưởng 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 polyme liên kết hydro. Là một chất điện phân yếu, PAA sẽ bị ion hóa và tích điện âm khi 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 độ nhất định, PAA không thể lắp ráp thành màng với chất nhận liên kết hydro trong LBL.
Độ dày màng giảm khi pH dung dịch tăng, 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 điểm tới hạn của HEC/PAA là khoảng 3,0. Điều này có nghĩa là khi pH của dung dịch lắp ráp cao hơn 3,5, màng HPC/PAA không thể hình thành và khi pH của dung dịch cao hơn 3,0, màng HEC/PAA không thể hình thành. Do mức độ phức hợp liên kết hydro của màng HPC/PAA cao hơn, giá trị pH tới hạn của màng HPC/PAA cao hơn giá trị pH tới hạn của màng HEC/PAA. Trong dung dịch không có muối, giá trị pH tới hạn của các phức hợp được hình thành bởi HEC/PAA, MC/PAA và HPC/PAA lần lượt là khoảng 2,9, 3,2 và 3,7. Độ pH quan trọng của HPC/PAA cao hơn độ pH quan trọng của HEC/PAA, phù hợp với độ pH quan trọng của màng LBL.
Hiệu suất hấp thụ nước của màng CE/ PAA:
CES giàu nhóm hydroxyl nên có khả năng hấp thụ nước 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. Được đặc trưng bởi phép giao thoa quang phổ, độ dày của 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. Các màng được sấy khô trong lò chân không (40°C) trong 24 giờ để loại bỏ hoàn toàn độ ẩm.
Khi độ ẩm tăng, màng sẽ dày lên. Ở vùng có độ ẩm thấp 30%-50%, tốc độ tăng trưởng độ dày tương đối chậm. Khi độ ẩm vượt quá 50%, tốc độ tăng trưởng độ dày nhanh chóng. 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 dày lên của màng PVPON/PAA là khoảng 4%, trong khi phạm vi dày lên của màng HEC/PAA cao tới khoảng 18%. Kết quả cho thấy, mặc dù một lượng nhóm OH nhất định trong hệ HEC/PAA tham gia vào quá trình hình thành liên kết hydro, nhưng vẫn có một số lượng đáng kể các nhóm OH tương tác với nước trong môi trường. Do đó, hệ HEC/PAA có đặc tính hấp thụ nước tốt.
kết luận
(1) Hệ HPC/PAA có mức độ liên kết hydro của CE và PAA cao nhất có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong số chúng, MC/PAA ở giữa và HEC/PAA là thấp nhất.
(2) Phim HEC/PAA cho thấy chế độ tăng trưởng tuyến tính trong suốt quá trình chuẩn bị, trong khi hai phim khác là MC/PAA và HPC/PAA cho thấy sự 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 độ pH của dung dịch. Khi độ pH của dung dịch cao hơn điểm tới hạn, PAA và CE không thể lắp ráp thành màng. Màng CE/PAA đã lắp ráp có thể hòa tan trong dung dịch có độ pH cao.
(4) Vì màng CE/PAA giàu OH và COOH nên xử lý nhiệt làm cho nó liên kết chéo. Màng CE/PAA liên kết chéo 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 nước trong môi trường tốt.
Thời gian đăng: 18-02-2023