सेल्युलोज इथर/पॉलियाक्रिलिक ऍसिड हायड्रोजन बाँडिंग फिल्म

संशोधन पार्श्वभूमी

नैसर्गिक, मुबलक आणि नूतनीकरणयोग्य संसाधन म्हणून, सेल्युलोजला त्याच्या गैर-वितळणे आणि मर्यादित विद्राव्य गुणधर्मांमुळे व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये मोठ्या आव्हानांचा सामना करावा लागतो. सेल्युलोजच्या संरचनेतील उच्च स्फटिकता आणि उच्च-घनता हायड्रोजन बंधांमुळे ते खराब होते परंतु ताब्यात घेण्याच्या प्रक्रियेत ते वितळत नाही आणि पाण्यात आणि बहुतेक सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्समध्ये अघुलनशील होते. त्यांचे व्युत्पन्न पॉलिमर साखळीतील एनहायड्रोग्लुकोज युनिट्सवरील हायड्रॉक्सिल गटांच्या एस्टरिफिकेशन आणि इथरिफिकेशनद्वारे तयार केले जातात आणि नैसर्गिक सेल्युलोजच्या तुलनेत काही भिन्न गुणधर्म प्रदर्शित करतात. सेल्युलोजची इथरिफिकेशन प्रतिक्रिया अनेक पाण्यात विरघळणारे सेल्युलोज इथर तयार करू शकते, जसे की मिथाइल सेल्युलोज (MC), हायड्रॉक्सीथिल सेल्युलोज (HEC) आणि हायड्रॉक्सीप्रोपाइल सेल्युलोज (HPC), जे अन्न, सौंदर्यप्रसाधने, फार्मास्युटिकल्स आणि औषधांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात. पाण्यात विरघळणारे CE पॉली कार्बोक्झिलिक ऍसिड आणि पॉलिफेनॉलसह हायड्रोजन-बंधित पॉलिमर बनवू शकतात.

लेयर-बाय-लेयर असेंबली (LBL) पॉलिमर संमिश्र पातळ फिल्म्स तयार करण्यासाठी एक प्रभावी पद्धत आहे. खालील मुख्यत्वे PAA सह HEC, MC आणि HPC च्या तीन वेगवेगळ्या CE च्या LBL असेंब्लीचे वर्णन करते, त्यांच्या असेंबली वर्तनाची तुलना करते आणि LBL असेंब्लीवरील पर्यायांच्या प्रभावाचे विश्लेषण करते. फिल्मच्या जाडीवर pH चा परिणाम आणि फिल्म निर्मिती आणि विरघळण्यावर pH चे भिन्न फरक तपासा आणि CE/PAA चे पाणी शोषण गुणधर्म विकसित करा.

प्रायोगिक साहित्य:

पॉलीॲक्रिलिक ऍसिड (PAA, Mw = 450,000). हायड्रॉक्सीथिलसेल्युलोज (HEC) च्या 2wt.% जलीय द्रावणाची स्निग्धता 300 mPa·s आहे आणि प्रतिस्थापनाची डिग्री 2.5 आहे. मिथाइलसेल्युलोज (MC, 400 mPa·s च्या चिकटपणासह 2wt.% जलीय द्रावण आणि 1.8 च्या प्रतिस्थापनाची डिग्री). हायड्रोक्सीप्रोपाइल सेल्युलोज (एचपीसी, 2wt.% जलीय द्रावण 400 mPa·s च्या चिकटपणासह आणि 2.5 च्या प्रतिस्थापनाची डिग्री).

चित्रपटाची तयारी:

25°C वर सिलिकॉनवर लिक्विड क्रिस्टल लेयर असेंबलीद्वारे तयार. स्लाईड मॅट्रिक्सची उपचार पद्धती खालीलप्रमाणे आहे: अम्लीय द्रावणात (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 मिनिटे भिजवा, नंतर pH तटस्थ होईपर्यंत अनेक वेळा डीआयोनाइज्ड पाण्याने स्वच्छ धुवा आणि शेवटी शुद्ध नायट्रोजनने कोरडे करा. एलबीएल असेंब्ली स्वयंचलित मशिनरी वापरून केली जाते. सब्सट्रेट वैकल्पिकरित्या CE सोल्यूशन (0.2 mg/mL) आणि PAA सोल्यूशन (0.2 mg/mL) मध्ये भिजवले होते, प्रत्येक द्रावण 4 मिनिटांसाठी भिजवले होते. सैलपणे जोडलेले पॉलिमर काढून टाकण्यासाठी प्रत्येक द्रावणाच्या दरम्यान डिआयोनाइज्ड पाण्यात प्रत्येकी 1 मिनिट तीन स्वच्छ धुवावेत. असेंबली सोल्यूशन आणि रिन्सिंग सोल्यूशनची pH व्हॅल्यू दोन्ही pH 2.0 मध्ये समायोजित केली गेली. तयार केलेले चित्रपट (CE/PAA)n म्हणून दर्शविले जातात, जेथे n असेंबली चक्र दर्शवते. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 आणि (HPC/PAA)30 प्रामुख्याने तयार होते.

चित्रपट व्यक्तिरेखा:

नॅनोकॅल्क-एक्सआर महासागर ऑप्टिक्ससह जवळपास-सामान्य परावर्तक स्पेक्ट्रा रेकॉर्ड केले गेले आणि त्यांचे विश्लेषण केले गेले आणि सिलिकॉनवर जमा केलेल्या चित्रपटांची जाडी मोजली गेली. पार्श्वभूमी म्हणून रिक्त सिलिकॉन सब्सट्रेटसह, सिलिकॉन सब्सट्रेटवरील पातळ फिल्मचा FT-IR स्पेक्ट्रम निकोलेट 8700 इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमीटरवर गोळा केला गेला.

पीएए आणि सीई दरम्यान हायड्रोजन बाँड संवाद:

LBL चित्रपटांमध्ये PAA सह HEC, MC आणि HPC ची असेंब्ली. HEC/PAA, MC/PAA आणि HPC/PAA चे इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रा आकृतीमध्ये दाखवले आहेत. PAA आणि CES चे मजबूत IR सिग्नल HEC/PAA, MC/PAA आणि HPC/PAA च्या IR स्पेक्ट्रामध्ये स्पष्टपणे पाहिले जाऊ शकतात. FT-IR स्पेक्ट्रोस्कोपी PAA आणि CES मधील हायड्रोजन बाँड कॉम्प्लेक्सेशनचे विश्लेषण करून वैशिष्ट्यपूर्ण अवशोषण बँडच्या शिफ्टचे परीक्षण करू शकते. CES आणि PAA मधील हायड्रोजन बाँडिंग मुख्यतः CES च्या हायड्रॉक्सिल ऑक्सिजन आणि PAA च्या COOH गटामध्ये आढळते. हायड्रोजन बाँड तयार झाल्यानंतर, स्ट्रेचिंग पीक लाल कमी वारंवारता दिशेने सरकते.

शुद्ध पीएए पावडरसाठी 1710 सेमी -1 चे शिखर दिसून आले. जेव्हा पॉलीएक्रिलामाइड वेगवेगळ्या सीईसह फिल्म्समध्ये एकत्र केले गेले तेव्हा HEC/PAA, MC/PAA आणि MPC/PAA फिल्म्सची शिखरे अनुक्रमे 1718 cm-1, 1720 cm-1 आणि 1724 cm-1 वर स्थित होती. शुद्ध PAA पावडरच्या तुलनेत, HPC/PAA, MC/PAA आणि HEC/PAA चित्रपटांची शिखर लांबी अनुक्रमे 14, 10 आणि 8 cm−1 ने हलवली. इथर ऑक्सिजन आणि COOH मधील हायड्रोजन बॉन्ड COOH गटांमधील हायड्रोजन बंधात व्यत्यय आणतो. PAA आणि CE मध्ये जितके जास्त हायड्रोजन बंध तयार होतात, IR स्पेक्ट्रामध्ये CE/PAA चे शिखर शिफ्ट तितके जास्त. एचपीसीमध्ये हायड्रोजन बाँड कॉम्प्लेक्सेशनची सर्वोच्च डिग्री आहे, पीएए आणि एमसी मध्यभागी आहेत आणि एचईसी सर्वात कमी आहे.

PAA आणि CEs च्या संमिश्र चित्रपटांचे वाढीचे वर्तन:

LBL असेंब्ली दरम्यान PAA आणि CE चे फिल्म-फॉर्मिंग वर्तन QCM आणि स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमेट्री वापरून तपासले गेले. पहिल्या काही असेंबली सायकल दरम्यान चित्रपटाच्या वाढीचे निरीक्षण करण्यासाठी QCM प्रभावी आहे. स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमीटर 10 चक्रांमध्ये उगवलेल्या चित्रपटांसाठी योग्य आहेत.

एचईसी/पीएए चित्रपटाने संपूर्ण एलबीएल असेंब्ली प्रक्रियेमध्ये एक रेषीय वाढ दर्शविली, तर एमसी/पीएए आणि एचपीसी/पीएए चित्रपटांनी असेंबलीच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात घातांकीय वाढ दर्शविली आणि नंतर ती रेखीय वाढीमध्ये बदलली. रेषीय वाढीच्या प्रदेशात, जटीलतेची डिग्री जितकी जास्त असेल तितकी जाडीची वाढ प्रति असेंबली सायकल.

सोल्यूशन pH चा चित्रपटाच्या वाढीवर परिणाम:

द्रावणाचे pH मूल्य हायड्रोजन बाँड पॉलिमर कंपोझिट फिल्मच्या वाढीवर परिणाम करते. कमकुवत पॉलीइलेक्ट्रोलाइट म्हणून, पीएए आयनीकृत होईल आणि द्रावणाचा पीएच वाढल्याने नकारात्मक चार्ज होईल, ज्यामुळे हायड्रोजन बॉन्ड असोसिएशन प्रतिबंधित होईल. जेव्हा PAA च्या आयनीकरणाची डिग्री एका विशिष्ट स्तरावर पोहोचली तेव्हा PAA LBL मध्ये हायड्रोजन बाँड स्वीकारणाऱ्यांसह फिल्ममध्ये एकत्र होऊ शकत नाही.

सोल्यूशन pH वाढल्याने फिल्मची जाडी कमी झाली आणि pH2.5 HPC/PAA आणि pH3.0-3.5 HPC/PAA वर फिल्मची जाडी अचानक कमी झाली. HPC/PAA चा गंभीर बिंदू सुमारे pH 3.5 आहे, तर HEC/PAA चा 3.0 आहे. याचा अर्थ असा की जेव्हा असेंबली सोल्यूशनचा pH 3.5 पेक्षा जास्त असेल तेव्हा HPC/PAA फिल्म तयार होऊ शकत नाही आणि जेव्हा सोल्यूशनचा pH 3.0 पेक्षा जास्त असेल तेव्हा HEC/PAA फिल्म तयार होऊ शकत नाही. एचपीसी/पीएए झिल्लीच्या हायड्रोजन बाँड कॉम्प्लेक्सेशनच्या उच्च डिग्रीमुळे, एचपीसी/पीएए झिल्लीचे गंभीर पीएच मूल्य एचईसी/पीएए झिल्लीपेक्षा जास्त आहे. मीठ-मुक्त द्रावणात, HEC/PAA, MC/PAA आणि HPC/PAA द्वारे तयार केलेल्या कॉम्प्लेक्सची गंभीर pH मूल्ये अनुक्रमे 2.9, 3.2 आणि 3.7 होती. HPC/PAA चा गंभीर pH HEC/PAA पेक्षा जास्त आहे, जो LBL झिल्लीशी सुसंगत आहे.

सीई/पीएए झिल्लीचे पाणी शोषण कार्यप्रदर्शन:

सीईएस हायड्रॉक्सिल गटांनी समृद्ध आहे जेणेकरून ते चांगले पाणी शोषून घेते आणि पाणी टिकवून ठेवते. एचईसी/पीएए झिल्लीचे उदाहरण घेतल्यास, वातावरणातील पाण्यामध्ये हायड्रोजन-बंधित सीई/पीएए पडद्याच्या शोषण क्षमतेचा अभ्यास केला गेला. स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमेट्रीद्वारे वैशिष्ट्यीकृत, चित्रपटाची जाडी वाढते कारण चित्रपट पाणी शोषून घेतो. पाणी शोषण समतोल साधण्यासाठी ते 24 तासांसाठी 25 डिग्री सेल्सिअस समायोज्य आर्द्रता असलेल्या वातावरणात ठेवले होते. ओलावा पूर्णपणे काढून टाकण्यासाठी चित्रपट 24 तासांसाठी व्हॅक्यूम ओव्हन (40 डिग्री सेल्सियस) मध्ये वाळवले गेले.

जसजशी आर्द्रता वाढते तसतसे चित्रपट घट्ट होतो. 30%-50% कमी आर्द्रता असलेल्या भागात, जाडीची वाढ तुलनेने मंद असते. जेव्हा आर्द्रता 50% पेक्षा जास्त असते, तेव्हा जाडी वेगाने वाढते. हायड्रोजन-बंधित PVPON/PAA झिल्लीच्या तुलनेत, HEC/PAA पडदा वातावरणातील जास्त पाणी शोषू शकते. 70% (25°C) च्या सापेक्ष आर्द्रतेच्या स्थितीत, PVPON/PAA फिल्मची जाडीची श्रेणी सुमारे 4% आहे, तर HEC/PAA फिल्मची सुमारे 18% इतकी जास्त आहे. परिणामांवरून असे दिसून आले की जरी एचईसी/पीएए प्रणालीतील काही विशिष्ट प्रमाणात ओएच गटांनी हायड्रोजन बंधांच्या निर्मितीमध्ये भाग घेतला, तरीही पर्यावरणातील पाण्याशी संवाद साधणारे ओएच गट अजूनही लक्षणीय आहेत. म्हणून, HEC/PAA प्रणालीमध्ये चांगले पाणी शोषण्याचे गुणधर्म आहेत.

शेवटी

(1) CE आणि PAA ची उच्च हायड्रोजन बाँडिंग डिग्री असलेली HPC/PAA प्रणाली त्यांच्यामध्ये सर्वात वेगवान वाढ आहे, MC/PAA मध्यभागी आहे आणि HEC/PAA सर्वात कमी आहे.

(2) HEC/PAA चित्रपटाने संपूर्ण तयारी प्रक्रियेत एक रेखीय वाढ मोड दर्शविला, तर इतर दोन चित्रपट MC/PAA आणि HPC/PAA यांनी पहिल्या काही चक्रांमध्ये घातांकीय वाढ दर्शविली, आणि नंतर रेखीय वाढ मोडमध्ये रूपांतरित झाले.

(३) CE/PAA फिल्मची वाढ पीएच सोल्यूशनवर खूप अवलंबून असते. जेव्हा सोल्यूशन pH त्याच्या गंभीर बिंदूपेक्षा जास्त असते, तेव्हा PAA आणि CE फिल्ममध्ये एकत्र होऊ शकत नाहीत. एकत्रित केलेले CE/PAA पडदा उच्च pH द्रावणात विरघळणारे होते.

(४) सीई/पीएए फिल्म ओएच आणि सीओओएचमध्ये समृद्ध असल्याने, उष्मा उपचार ते क्रॉस-लिंक बनवते. क्रॉस-लिंक्ड CE/PAA झिल्ली चांगली स्थिरता आहे आणि उच्च pH सोल्यूशनमध्ये अघुलनशील आहे.

(५) सीई/पीएए फिल्ममध्ये वातावरणातील पाण्याची चांगली शोषण क्षमता असते.