Ikerketaren aurrekariak
Baliabide natural, ugari eta berriztagarria denez, zelulosa erronka handiak aurkitzen ditu aplikazio praktikoetan urtzen ez diren eta disolbagarritasun-propietate mugatuengatik. Zelulosa egiturako kristalinitate handiko eta dentsitate handiko hidrogeno-loturek degradatu egiten dute, baina ez dute urtu edukitze-prozesuan, eta uretan eta disolbatzaile organiko gehienetan disolbaezinak dira. Haien deribatuak polimero-kateko anhidroglukosa-unitateetako hidroxilo-taldeen esterifikazioaren eta eterifikazioaren bidez sortzen dira, eta zelulosa naturalarekin alderatuta, zenbait propietate erakutsiko dituzte. Zelulosaren eterifikazio-erreakzioak ur disolbagarriak diren zelulosa-eter asko sor ditzake, hala nola, metil zelulosa (MC), hidroxietil zelulosa (HEC) eta hidroxipropil zelulosa (HPC), elikagaietan, kosmetikan, farmazian eta medikuntzan oso erabiliak direnak. Ur disolbagarriak CEk hidrogeno-loturako polimeroak sor ditzake azido polikarboxilikoekin eta polifenolekin.
Geruzaz geruza muntatzea (LBL) polimero konpositeen film meheak prestatzeko metodo eraginkorra da. Jarraian, batez ere, HEC, MC eta HPC-ren hiru CE desberdinen LBL muntaketa deskribatzen da PAArekin, haien muntaketa-jokaera alderatzen du eta ordezkatzaileek LBLren bilketan duten eragina aztertzen du. Aztertu pH-ak filmaren lodieran duen eragina, eta pH-ren desberdintasun desberdinak filmaren eraketan eta disoluzioan, eta garatu CE/PAAren ura xurgatzeko propietateak.
Material esperimentalak:
Azido poliakrilikoa (PAA, Mw = 450.000). Hidroxietilzelulosaren (HEC) ur-disoluzioaren % 2 pisuaren biskositatea 300 mPa·s da, eta ordezkapen-gradua 2,5. Metilzelulosa (MC, %2 pisuko disoluzio urtsua, 400 mPa·s-ko biskositatea eta 1,8ko ordezkapen-maila duena). Hidroxipropil zelulosa (HPC, 400 mPa·s-ko biskositatea eta 2,5-ko ordezkapen-maila duen %2 pisuko ur-disoluzioa).
Filmaren prestaketa:
Kristal likido geruzaren muntaketaz prestatua silizioan 25 °C-tan. Diapositiba-matrizearen tratamendu-metodoa honakoa da: disoluzio azidoan (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) beratzen 30min, gero ur deionizatuarekin hainbat aldiz garbitu pH neutroa izan arte, eta, azkenik, nitrogeno puruarekin lehortu. LBLren muntaketa makineria automatikoa erabiliz egiten da. Substratua CE disoluzioan (0,2 mg/mL) eta PAA disoluzioan (0,2 mg/mL) busti zen, soluzio bakoitza 4 min. Ur deionizatuan 1 minutuko hiru garbiketa egin ziren disoluzio bakoitzaren artean bustitze baxuan atxikitako polimeroa kentzeko. Mihiztadura-disoluzioaren eta garbiketa-disoluzioaren pH balioak 2,0 pH-ra egokitu ziren. Prestatutako filmak (CE/PAA)n bezala adierazten dira, non n muntaketa-zikloa adierazten duen. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 eta (HPC/PAA)30 prestatu ziren nagusiki.
Filmaren karakterizazioa:
Ia normalaren isla-espektroak NanoCalc-XR Ocean Optics-ekin grabatu eta aztertu ziren, eta silizioan metatutako filmen lodiera neurtu zen. Siliziozko substratu huts bat atzeko plano gisa, siliziozko substratuko film mehearen FT-IR espektroa Nicolet 8700 infragorriko espektrometro batean bildu zen.
PAA eta CEren arteko hidrogeno-lotura elkarrekintzak:
HEC, MC eta HPC PAArekin muntatzea LBL filmetan. HEC/PAA, MC/PAA eta HPC/PAA espektro infragorriak irudian ageri dira. PAA eta CESen IR seinale indartsuak argi ikus daitezke HEC/PAA, MC/PAA eta HPC/PAA IR espektroetan. FT-IR espektroskopiak PAA eta CES arteko hidrogeno-loturaren konplexutasuna azter dezake, xurgapen-banden ezaugarrien aldaketa kontrolatuz. CES eta PAAren arteko hidrogeno-lotura batez ere CES-en hidroxilo-oxigenoaren eta PAA-ren COOH taldearen artean gertatzen da. Hidrogeno-lotura eratu ondoren, luzatze-gailurra gorria maiztasun baxuko norabidera aldatzen da.
1710 cm-1-ko gailurra ikusi zen PAA hauts puruarentzat. Poliakrilamida CE desberdinak dituzten filmetan muntatu zenean, HEC/PAA, MC/PAA eta MPC/PAA filmen gailurrak 1718 cm-1, 1720 cm-1 eta 1724 cm-1-etan kokatu ziren, hurrenez hurren. PAA hauts puruarekin alderatuta, HPC/PAA, MC/PAA eta HEC/PAA filmen gailurraren luzerak 14, 10 eta 8 cm-1-ko desplazatu ziren, hurrenez hurren. Eter-oxigenoaren eta COOH-ren arteko hidrogeno-loturak COOH taldeen arteko hidrogeno-lotura eten egiten du. Zenbat eta hidrogeno-lotura gehiago sortu PAA eta CEren artean, orduan eta handiagoa izango da CE/PAAren gailurraren desplazamendua IR espektroetan. HPC-k hidrogeno-loturaren konplexutasun-maila handiena du, PAA eta MC erdian daude, eta HEC baxuena.
PAA eta CEen film konposatuen hazkuntza-portaera:
LBL muntatzean PAA eta CEen film-sortze portaera ikertu zen QCM eta interferometria espektrala erabiliz. QCM eraginkorra da filmaren hazkundea in situ monitorizatzeko lehen muntaketa-zikloetan. Interferometro espektralak 10 ziklotan hazitako filmetarako egokiak dira.
HEC/PAA filmak hazkunde lineala erakutsi zuen LBL muntaketa-prozesuan zehar, MC/PAA eta HPC/PAA filmek, berriz, hazkunde esponentziala erakutsi zuten muntaketaren hasierako faseetan eta gero hazkunde lineal batean bihurtu ziren. Hazkunde linealeko eskualdean, zenbat eta konplexutasun-maila handiagoa izan, orduan eta lodiera-hazkunde handiagoa izango da muntaketa-ziklo bakoitzeko.
Disoluzioaren pH-aren eragina filmaren hazkundean:
Disoluzioaren pH-aren balioak hidrogeno-loturako polimero-film konposatuaren hazkuntzan eragiten du. Polielektrolito ahula den heinean, PAA ionizatu eta negatiboki kargatuko da disoluzioaren pH-a handitzen den heinean, eta, ondorioz, hidrogeno-lotura elkartzea inhibituko da. PAAren ionizazio-maila maila jakin batera iritsi zenean, PAA ezin zen LBL-n hidrogeno-lotura-hartzaileak zituen film batean bildu.
Filmaren lodiera txikitu egin zen disoluzioaren pH-a handitzean, eta filmaren lodiera bat-batean jaitsi zen pH 2,5 HPC/PAA eta pH 3,0-3,5 HPC/PAA-n. HPC/PAAren puntu kritikoa pH 3,5 ingurukoa da, HEC/PAArena 3,0 ingurukoa den bitartean. Horrek esan nahi du muntaketa-disoluzioaren pH-a 3,5 baino handiagoa denean, HPC/PAA filma ezin dela eratu, eta disoluzioaren pH-a 3,0 baino handiagoa denean, HEC/PAA filma ezin dela eratu. HPC/PAA mintzaren hidrogeno-loturaren konplexutasun maila handiagoa dela eta, HPC/PAA mintzaren pH balio kritikoa HEC/PAA mintzarena baino handiagoa da. Gatzik gabeko disoluzioan, HEC/PAA, MC/PAA eta HPC/PAA-k osatutako konplexuen pH balio kritikoak 2,9, 3,2 eta 3,7 ingurukoak ziren, hurrenez hurren. HPC/PAAren pH kritikoa HEC/PAArena baino altuagoa da, LBL mintzarenarekin bat datorrena.
CE/PAA mintzaren ura xurgatzeko errendimendua:
CES hidroxilo taldeetan aberatsa da, beraz, ura xurgatzen eta ura atxikitzen du. HEC/PAA mintza adibide gisa hartuta, hidrogenoarekin loturiko CE/PAA mintzak urarekiko duen adsortzio ahalmena aztertu da. Interferometria espektralaren ezaugarria, filmaren lodiera handitzen da filmak ura xurgatzen duen heinean. 25 °C-tan hezetasun erregulagarria duen ingurune batean jarri zen 24 orduz ura xurgatzeko oreka lortzeko. Filmak hutseko labean (40 °C) lehortu ziren 24 orduz, hezetasuna guztiz kentzeko.
Hezetasuna handitu ahala, filma loditzen da. % 30-50eko hezetasun baxuko eremuan, lodieraren hazkundea nahiko motela da. Hezetasuna % 50 gainditzen duenean, lodiera azkar hazten da. Hidrogenoarekin loturiko PVPON/PAA mintzarekin alderatuta, HEC/PAA mintzak inguruneko ur gehiago xurga dezake. %70eko (25 °C) hezetasun erlatiboaren baldintzapean, PVPON/PAA filmaren loditze-tartea %4 ingurukoa da, HEC/PAA filmarena, berriz, %18 ingurukoa. Emaitzek erakutsi zuten HEC/PAA sistemako OH talde kopuru jakin batek hidrogeno-loturen eraketan parte hartu bazuen ere, ingurunean urarekin elkarreragiten zuten OH talde kopuru handi bat oraindik ere. Hori dela eta, HEC/PAA sistemak ura xurgatzeko propietate onak ditu.
bukatzeko
(1) CE eta PAA hidrogeno-lotura-maila handiena duen HPC/PAA sistemak hazkunderik azkarrena du haien artean, MC/PAA erdian dago eta HEC/PAA baxuena.
(2) HEC/PAA filmak hazkuntza-modu lineala erakutsi zuen prestaketa-prozesu osoan zehar, eta beste bi filmek, berriz, MC/PAA eta HPC/PAA-k hazkunde esponentziala erakutsi zuten lehenengo zikloetan, eta gero hazkuntza-modu linealean bihurtu ziren.
(3) CE/PAA filmaren hazkundeak disoluzioaren pH-aren menpekotasun handia du. Disoluzioaren pH-a bere puntu kritikoa baino handiagoa denean, PAA eta CE ezin dira film batean bildu. Muntatutako CE/PAA mintza pH handiko soluzioetan disolbagarria zen.
(4) CE/PAA filma OH eta COOH-tan aberatsa denez, tratamendu termikoak gurutzatu egiten du. Gurutzatutako CE/PAA mintzak egonkortasun ona du eta pH handiko soluzioetan disolbaezina da.
(5) CE/PAA filmak inguruneko ura xurgatzeko gaitasun ona du.
Argitalpenaren ordua: 2023-02-18