Antecedents de recerca
Com a recurs natural, abundant i renovable, la cel·lulosa es troba amb grans reptes en aplicacions pràctiques a causa de les seves propietats de no fusió i de solubilitat limitada.L'alta cristalinitat i els enllaços d'hidrogen d'alta densitat de l'estructura de la cel·lulosa fan que es degradi, però no es fongui durant el procés de possessió, i sigui insoluble en aigua i la majoria de dissolvents orgànics.Els seus derivats es produeixen per l'esterificació i l'eterificació dels grups hidroxil de les unitats d'anhidroglucosa de la cadena del polímer, i presentaran algunes propietats diferents en comparació amb la cel·lulosa natural.La reacció d'eterificació de la cel·lulosa pot generar molts èters de cel·lulosa solubles en aigua, com la metilcel·lulosa (MC), la hidroxietilcel·lulosa (HEC) i la hidroxipropilcel·lulosa (HPC), que s'utilitzen àmpliament en aliments, cosmètics, productes farmacèutics i medicina.El CE soluble en aigua pot formar polímers enllaçats amb hidrogen amb àcids policarboxílics i polifenols.
El muntatge capa per capa (LBL) és un mètode eficaç per preparar pel·lícules primes compostes de polímers.A continuació es descriu principalment el muntatge LBL de tres CE diferents d'HEC, MC i HPC amb PAA, compara el seu comportament de muntatge i analitza la influència dels substituents en el muntatge de LBL.Investigar l'efecte del pH sobre el gruix de la pel·lícula i les diferents diferències de pH en la formació i dissolució de la pel·lícula, i desenvolupar les propietats d'absorció d'aigua de CE/PAA.
Materials experimentals:
Àcid poliacrílic (PAA, Mw = 450.000).La viscositat de la solució aquosa al 2% en pes d'hidroxietilcel·lulosa (HEC) és de 300 mPa·s i el grau de substitució és de 2,5.Metilcel·lulosa (MC, una solució aquosa al 2% en pes amb una viscositat de 400 mPa·s i un grau de substitució d'1,8).Hidroxipropil cel·lulosa (HPC, una solució aquosa al 2% en pes amb una viscositat de 400 mPa·s i un grau de substitució de 2,5).
Preparació de la pel·lícula:
Preparat mitjançant un muntatge de capa de cristall líquid sobre silici a 25 °C.El mètode de tractament de la matriu de diapositives és el següent: remullar en solució àcida (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) durant 30 minuts, després esbandida amb aigua desionitzada diverses vegades fins que el pH es torni neutre i, finalment, assecar amb nitrogen pur.El muntatge de LBL es realitza mitjançant maquinària automàtica.El substrat es va remullar alternativament en solució CE (0, 2 mg/mL) i solució PAA (0, 2 mg/mL), cada solució es va remullar durant 4 min.Es van realitzar tres remullades d'1 minut cadascuna amb aigua desionitzada entre cada remullada de solució per eliminar el polímer que s'ha fixat poc.Els valors de pH de la solució de muntatge i de la solució de rentat es van ajustar a pH 2,0.Les pel·lícules tal com es preparen s'anomenen (CE/PAA)n, on n indica el cicle de muntatge.Es van preparar principalment (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 i (HPC/PAA)30.
Caracterització de la pel·lícula:
Es van registrar i analitzar espectres de reflectància gairebé normals amb NanoCalc-XR Ocean Optics i es va mesurar el gruix de les pel·lícules dipositades al silici.Amb un substrat de silici en blanc com a fons, l'espectre FT-IR de la pel·lícula fina del substrat de silici es va recollir en un espectròmetre infraroig Nicolet 8700.
Interaccions d'enllaç d'hidrogen entre PAA i CE:
Muntatge d'HEC, MC i HPC amb PAA en pel·lícules LBL.A la figura es mostren els espectres infrarojos de HEC/PAA, MC/PAA i HPC/PAA.Els forts senyals IR de PAA i CES es poden observar clarament als espectres IR de HEC/PAA, MC/PAA i HPC/PAA.L'espectroscòpia FT-IR pot analitzar la complexació d'enllaços d'hidrogen entre PAA i CES mitjançant el seguiment del canvi de les bandes d'absorció característiques.L'enllaç d'hidrogen entre CES i PAA es produeix principalment entre l'oxigen hidroxil del CES i el grup COOH del PAA.Després de formar l'enllaç d'hidrogen, el vermell del pic d'estirament es desplaça cap a la direcció de baixa freqüència.
Es va observar un pic de 1710 cm-1 per a la pols de PAA pura.Quan la poliacrilamida es va muntar en pel·lícules amb diferents CE, els pics de les pel·lícules HEC/PAA, MC/PAA i MPC/PAA es van localitzar a 1718 cm-1, 1720 cm-1 i 1724 cm-1, respectivament.En comparació amb la pols de PAA pura, les longituds màximes de les pel·lícules HPC/PAA, MC/PAA i HEC/PAA es van desplaçar en 14, 10 i 8 cm−1, respectivament.L'enllaç d'hidrogen entre l'oxigen de l'èter i el COOH interromp l'enllaç d'hidrogen entre els grups COOH.Com més enllaços d'hidrogen es formen entre PAA i CE, major serà el desplaçament màxim de CE/PAA en els espectres IR.HPC té el grau més alt de complexació d'enllaços d'hidrogen, PAA i MC es troben al mig i HEC és el més baix.
Comportament de creixement de pel·lícules compostes de PAA i CE:
El comportament de formació de pel·lícules de PAA i CE durant el muntatge de LBL es va investigar mitjançant QCM i interferometria espectral.QCM és eficaç per controlar el creixement de la pel·lícula in situ durant els primers cicles de muntatge.Els interferòmetres espectrals són adequats per a pel·lícules cultivades durant 10 cicles.
La pel·lícula HEC/PAA va mostrar un creixement lineal al llarg del procés de muntatge LBL, mentre que les pel·lícules MC/PAA i HPC/PAA van mostrar un creixement exponencial en les primeres etapes del muntatge i després es van transformar en un creixement lineal.A la regió de creixement lineal, com més gran és el grau de complexació, més gran és el creixement del gruix per cicle de muntatge.
Efecte del pH de la solució sobre el creixement de la pel·lícula:
El valor del pH de la solució afecta el creixement de la pel·lícula composta de polímer enllaçat amb hidrogen.Com a polielectròlit feble, el PAA s'ionitzarà i es carregarà negativament a mesura que augmenta el pH de la solució, inhibint així l'associació d'enllaços d'hidrogen.Quan el grau d'ionització del PAA va assolir un cert nivell, el PAA no es va poder muntar en una pel·lícula amb acceptors d'enllaç d'hidrogen en LBL.
El gruix de la pel·lícula va disminuir amb l'augment del pH de la solució i el gruix de la pel·lícula va disminuir sobtadament a pH 2,5 HPC/PAA i pH 3,0-3,5 HPC/PAA.El punt crític de HPC/PAA és d'uns 3,5, mentre que el de HEC/PAA és d'uns 3,0.Això significa que quan el pH de la solució de muntatge és superior a 3,5, no es pot formar la pel·lícula HPC/PAA, i quan el pH de la solució és superior a 3,0, no es pot formar la pel·lícula HEC/PAA.A causa del major grau de complexació d'enllaços d'hidrogen de la membrana HPC/PAA, el valor de pH crític de la membrana HPC/PAA és superior al de la membrana HEC/PAA.En solució sense sal, els valors crítics de pH dels complexos formats per HEC/PAA, MC/PAA i HPC/PAA eren d'uns 2,9, 3,2 i 3,7, respectivament.El pH crític de HPC/PAA és superior al de HEC/PAA, que és coherent amb el de la membrana LBL.
Rendiment d'absorció d'aigua de la membrana CE/PAA:
El CES és ric en grups hidroxil, de manera que té una bona absorció d'aigua i retenció d'aigua.Prenent com a exemple la membrana HEC/PAA, es va estudiar la capacitat d'adsorció de la membrana CE/PAA unida per hidrogen a l'aigua del medi ambient.Caracteritzat per interferometria espectral, el gruix de la pel·lícula augmenta a mesura que la pel·lícula absorbeix aigua.Es va col·locar en un ambient amb humitat ajustable a 25 °C durant 24 hores per aconseguir l'equilibri d'absorció d'aigua.Les pel·lícules es van assecar en un forn al buit (40 ° C) durant 24 h per eliminar completament la humitat.
A mesura que augmenta la humitat, la pel·lícula s'espesseix.A la zona de baixa humitat del 30% al 50%, el creixement del gruix és relativament lent.Quan la humitat supera el 50%, el gruix creix ràpidament.En comparació amb la membrana PVPON/PAA unida a hidrogen, la membrana HEC/PAA pot absorbir més aigua del medi ambient.Sota la condició d'humitat relativa del 70% (25 ° C), el rang d'engrossiment de la pel·lícula PVPON/PAA és d'un 4%, mentre que el de la pel·lícula HEC/PAA és d'un 18%.Els resultats van mostrar que, tot i que una certa quantitat de grups OH al sistema HEC/PAA van participar en la formació d'enllaços d'hidrogen, encara hi havia un nombre considerable de grups OH que interactuaven amb l'aigua al medi.Per tant, el sistema HEC/PAA té bones propietats d'absorció d'aigua.
en conclusió
(1) El sistema HPC/PAA amb el grau d'enllaç d'hidrogen més alt de CE i PAA té el creixement més ràpid entre ells, MC/PAA es troba al mig i HEC/PAA és el més baix.
(2) La pel·lícula HEC/PAA va mostrar un mode de creixement lineal durant tot el procés de preparació, mentre que les altres dues pel·lícules MC/PAA i HPC/PAA van mostrar un creixement exponencial en els primers cicles i després es van transformar en un mode de creixement lineal.
(3) El creixement de la pel·lícula CE/PAA té una forta dependència del pH de la solució.Quan el pH de la solució és més alt que el seu punt crític, PAA i CE no es poden muntar en una pel·lícula.La membrana CE/PAA muntada era soluble en solucions de pH alt.
(4) Com que la pel·lícula CE/PAA és rica en OH i COOH, el tractament tèrmic la fa reticulada.La membrana reticulada CE/PAA té una bona estabilitat i és insoluble en solucions de pH alt.
(5) La pel·lícula CE/PAA té una bona capacitat d'adsorció d'aigua al medi ambient.
Hora de publicació: 18-feb-2023