Ikerketaren aurrekariak
Baliabide natural, ugari eta berriztagarri gisa, zelulosa erronka handiekin topo egiten du aplikazio praktikoetan, urtzen ez den eta disolbagarritasun mugatuko propietateengatik. Zelulosa egituran dauden kristalinitate handiak eta hidrogeno loturen dentsitate handiak degradatzen dute, baina ez da urtzen jabetza prozesuan, eta uretan eta disolbatzaile organiko gehienetan disolbaezina da. Haien deribatuak polimero kateko anhidroglukosa unitateetako hidroxilo taldeen esterifikazio eta eterifikazio bidez sortzen dira, eta zelulosa naturalarekin alderatuta propietate desberdinak izango dituzte. Zelulosa eterifikazio erreakzioak uretan disolbagarriak diren zelulosa eter asko sor ditzake, hala nola metil zelulosa (MC), hidroxietil zelulosa (HEC) eta hidroxipropil zelulosa (HPC), elikagaietan, kosmetikoetan, farmazian eta medikuntzan asko erabiltzen direnak. CE uretan disolbagarriak hidrogeno loturadun polimeroak sor ditzake azido polikarboxilikoekin eta polifenolekin.
Geruzaz geruzako muntaketa (LBL) metodo eraginkorra da polimero konpositezko film meheak prestatzeko. Jarraian, HEC, MC eta HPC hiru CE desberdinen LBL muntaketa deskribatzen da batez ere PAArekin, haien muntaketa-portaera alderatzen da eta ordezkoek LBL muntaketan duten eragina aztertzen da. Ikertu pH-ak filmaren lodieran duen eragina, eta pH-aren desberdintasunak filmaren eraketan eta disoluzioan, eta garatu CE/PAAren ur-xurgapen propietateak.
Material esperimentalak:
Azido poliakrilikoa (PAA, Mw = 450.000). Hidroxietilzelulosa (HEC) % 2ko ur-disoluzioaren biskositatea 300 mPa·s da, eta ordezkapen-maila 2,5. Metilzelulosa (MC, % 2ko ur-disoluzioa, 400 mPa·s-ko biskositatea eta 1,8ko ordezkapen-maila duena). Hidroxipropilzelulosa (HPC, % 2ko ur-disoluzioa, 400 mPa·s-ko biskositatea eta 2,5eko ordezkapen-maila duena).
Filmaren prestaketa:
25 °C-tan silizio gainean kristal likido geruza muntatuz prestatua. Labain-matrizearen tratamendu-metodoa honako hau da: disoluzio azidoan (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) beratzen utzi 30 minutuz, ondoren ur desionizatuarekin garbitu hainbat aldiz pH-a neutro bihurtu arte, eta azkenik nitrogeno puruarekin lehortu. LBL muntaketa makina automatikoak erabiliz egiten da. Substratua txandaka CE disoluzioan (0,2 mg/mL) eta PAA disoluzioan (0,2 mg/mL) beratzen jarri zen, disoluzio bakoitza 4 minutuz beratzen jarriz. Hiru garbiketa-bustialdi egin ziren ur desionizatuan, bakoitza minutu 1ekoa, disoluzio-bustialdi bakoitzaren artean, aske atxikitako polimeroa kentzeko. Muntaketa-disoluzioaren eta garbiketa-disoluzioaren pH balioak 2,0 pH-ra egokitu ziren. Prestatutako filmak (CE/PAA)n gisa adierazten dira, non n-k muntaketa-zikloa adierazten duen. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 eta (HPC/PAA)30 prestatu ziren batez ere.
Filmaren karakterizazioa:
Ia islapen-espektro normalak NanoCalc-XR Ocean Optics-ekin grabatu eta aztertu ziren, eta silizioan metatutako filmen lodiera neurtu zen. Siliziozko substratu huts bat atzeko plano gisa hartuta, siliziozko substratuaren gaineko film mehearen FT-IR espektroa Nicolet 8700 infragorri espektrometro batean bildu zen.
PAA eta CE arteko hidrogeno-loturen elkarrekintzak:
HEC, MC eta HPC PAArekin LBL filmetan muntatzea. HEC/PAA, MC/PAA eta HPC/PAAren infragorri espektroak irudian ageri dira. PAA eta CESren IR seinale sendoak argi ikus daitezke HEC/PAA, MC/PAA eta HPC/PAAren IR espektroetan. FT-IR espektroskopiak PAA eta CESren arteko hidrogeno loturaren konplexutasuna azter dezake xurgapen banda karakteristikoen desplazamendua kontrolatuz. CES eta PAAren arteko hidrogeno lotura batez ere CESren hidroxilo oxigenoaren eta PAAren COOH taldearen artean gertatzen da. Hidrogeno lotura eratu ondoren, luzatze gailurra gorriz maiztasun baxuko norabidera aldatzen da.
PAA hauts puruan 1710 cm-1-ko gailurra ikusi zen. Poliakrilamida CE desberdinekin filmetan muntatu zenean, HEC/PAA, MC/PAA eta MPC/PAA filmen gailurrak 1718 cm-1, 1720 cm-1 eta 1724 cm-1-tan kokatu ziren, hurrenez hurren. PAA hauts puruarekin alderatuta, HPC/PAA, MC/PAA eta HEC/PAA filmen gailurren luzerak 14, 10 eta 8 cm-1 mugitu ziren, hurrenez hurren. Eter oxigenoaren eta COOH-ren arteko hidrogeno loturak COOH taldeen arteko hidrogeno lotura eteten du. Zenbat eta hidrogeno lotura gehiago sortu PAA eta CE artean, orduan eta handiagoa da CE/PAA-ren gailurren desplazamendua IR espektroetan. HPC-k du hidrogeno lotura konplexutasun maila handiena, PAA eta MC erdian daude, eta HEC da baxuena.
PAA eta CE konpositezko filmen hazkuntza-portaera:
PAA eta CE-en film-sortzeko portaera LBL muntaketan zehar QCM eta interferometria espektralaren bidez ikertu zen. QCM eraginkorra da filmaren hazkundea in situ kontrolatzeko lehenengo muntaketa-zikloetan. Interferometro espektralak egokiak dira 10 ziklotan zehar hazitako filmen kasuan.
HEC/PAA filmak hazkunde lineala erakutsi zuen LBL muntaketa prozesu osoan zehar, MC/PAA eta HPC/PAA filmek, berriz, hazkunde esponentziala erakutsi zuten muntaketaren hasierako faseetan eta gero hazkunde lineal batean eraldatu ziren. Hazkunde linealaren eskualdean, konplexutasun maila zenbat eta handiagoa izan, orduan eta lodieraren hazkunde handiagoa izan zen muntaketa ziklo bakoitzeko.
Disoluzioaren pH-aren eragina filmaren hazkuntzan:
Disoluzioaren pH balioak hidrogeno loturadun polimero konpositezko filmaren hazkuntzan eragiten du. Polielektrolito ahula denez, PAA ionizatu eta negatiboki kargatuko da disoluzioaren pHa handitzen den heinean, eta horrela hidrogeno lotura elkartea inhibitzen du. PAAren ionizazio mailak maila jakin batera iristen zenean, PAA ezin zen LBL-n hidrogeno lotura hartzaileekin film batean bildu.
Filmaren lodiera disoluzioaren pH-a handitzearekin batera gutxitu zen, eta bat-batean gutxitu zen HPC/PAA pH2.5ean eta HPC/PAA pH3.0-3.5ean. HPC/PAAren puntu kritikoa pH 3.5 ingurukoa da, eta HEC/PAArena, berriz, 3.0 ingurukoa. Horrek esan nahi du muntaketa-disoluzioaren pHa 3.5 baino handiagoa denean, HPC/PAA filma ezin dela eratu, eta disoluzioaren pHa 3.0 baino handiagoa denean, HEC/PAA filma ezin dela eratu. HPC/PAA mintzaren hidrogeno-lotura konplexutasun-maila handiagoa dela eta, HPC/PAA mintzaren pH kritikoa HEC/PAA mintzarena baino handiagoa da. Gatzik gabeko disoluzioan, HEC/PAA, MC/PAA eta HPC/PAAk eratutako konplexuen pH kritikoa 2.9, 3.2 eta 3.7 ingurukoa izan zen, hurrenez hurren. HPC/PAAren pH kritikoa HEC/PAArena baino handiagoa da, eta hori LBL mintzarenarekin bat dator.
CE/PAA mintzaren ur-xurgapenaren errendimendua:
CESa hidroxilo taldeetan aberatsa da, eta horrek ura xurgatzeko eta atxikitzeko gaitasun ona du. HEC/PAA mintza adibide gisa hartuta, hidrogeno-loturadun CE/PAA mintzaren inguruneko urarekiko adsorzio-ahalmena aztertu zen. Interferometria espektralaren bidez karakterizatuta, filmaren lodiera handitzen da filmak ura xurgatzen duen heinean. 25 °C-ko hezetasun erregulagarria zuen ingurune batean jarri zen 24 orduz ura xurgatzeko oreka lortzeko. Filmak hutseko labe batean (40 °C) lehortu ziren 24 orduz hezetasuna guztiz kentzeko.
Hezetasuna handitzen den heinean, filma loditu egiten da. % 30-% 50eko hezetasun baxuko eremuan, lodieraren hazkundea nahiko motela da. Hezetasuna % 50etik gorakoa denean, lodiera azkar hazten da. Hidrogeno-loturadun PVPON/PAA mintzarekin alderatuta, HEC/PAA mintzak inguruneko ur gehiago xurga dezake. % 70eko hezetasun erlatiboaren baldintzan (25 °C), PVPON/PAA filmaren loditze-tartea % 4 ingurukoa da, eta HEC/PAA filmarena, berriz, % 18 ingurukoa. Emaitzek erakutsi zuten HEC/PAA sisteman OH talde kopuru jakin batek hidrogeno-loturen eraketan parte hartu bazuen ere, oraindik ere OH talde kopuru handia zegoela inguruneko urarekin elkarreraginean. Beraz, HEC/PAA sistemak ura xurgatzeko propietate onak ditu.
ondorio gisa
(1) CE eta PAA hidrogeno lotura maila altuena duen HPC/PAA sistemak du hazkunde azkarrena, MC/PAA erdian dago, eta HEC/PAA baxuena.
(2) HEC/PAA filmak hazkunde-modu lineala erakutsi zuen prestaketa-prozesu osoan zehar, eta beste bi filmek, MC/PAA eta HPC/PAA, hazkunde esponentziala erakutsi zuten lehenengo zikloetan, eta gero hazkunde-modu lineal batera eraldatu ziren.
(3) CE/PAA filmen hazkuntza disoluzioaren pH-arekiko menpekotasun handia du. Disoluzioaren pH-a bere puntu kritikoa baino handiagoa denean, PAA eta CE ezin dira film batean elkartu. Muntatutako CE/PAA mintza pH altuko disoluzioetan disolbagarria zen.
(4) CE/PAA filma OH eta COOH-tan aberatsa denez, tratamendu termikoak lotura gurutzatua sortzen du. CE/PAA mintz gurutzatuak egonkortasun ona du eta pH altuko disoluzioetan disolbaezina da.
(5) CE/PAA filmak ingurumeneko ura xurgatzeko gaitasun ona du.
Argitaratze data: 2023ko otsailaren 18a