సెల్యులోజ్ ఈథర్/పాలీయాక్రిలిక్ యాసిడ్ హైడ్రోజన్ బాండింగ్ ఫిల్మ్

పరిశోధన నేపథ్యం

సహజమైన, సమృద్ధిగా మరియు పునరుత్పాదక వనరుగా, సెల్యులోజ్ దాని కరగని మరియు పరిమిత ద్రావణీయత లక్షణాల కారణంగా ఆచరణాత్మక అనువర్తనాల్లో గొప్ప సవాళ్లను ఎదుర్కొంటుంది.సెల్యులోజ్ నిర్మాణంలో ఉన్న అధిక స్ఫటికాకారత మరియు అధిక సాంద్రత కలిగిన హైడ్రోజన్ బంధాలు దానిని క్షీణింపజేస్తాయి కాని స్వాధీనం ప్రక్రియలో కరగవు మరియు నీటిలో మరియు చాలా సేంద్రీయ ద్రావకాలలో కరగవు.వాటి ఉత్పన్నాలు పాలిమర్ గొలుసులోని అన్‌హైడ్రోగ్లూకోస్ యూనిట్‌లపై హైడ్రాక్సిల్ సమూహాల యొక్క ఎస్టెరిఫికేషన్ మరియు ఈథరిఫికేషన్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడతాయి మరియు సహజ సెల్యులోజ్‌తో పోలిస్తే కొన్ని విభిన్న లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తాయి.సెల్యులోజ్ యొక్క ఈథరిఫికేషన్ ప్రతిచర్య అనేక నీటిలో కరిగే సెల్యులోజ్ ఈథర్‌లను ఉత్పత్తి చేస్తుంది, అవి మిథైల్ సెల్యులోజ్ (MC), హైడ్రాక్సీథైల్ సెల్యులోజ్ (HEC) మరియు హైడ్రాక్సీప్రోపైల్ సెల్యులోజ్ (HPC), వీటిని ఆహారం, సౌందర్య సాధనాలు, ఫార్మాస్యూటికల్స్ మరియు ఔషధాలలో విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తారు.నీటిలో కరిగే CE పాలీకార్బాక్సిలిక్ ఆమ్లాలు మరియు పాలీఫెనాల్స్‌తో హైడ్రోజన్-బంధిత పాలిమర్‌లను ఏర్పరుస్తుంది.

లేయర్-బై-లేయర్ అసెంబ్లీ (LBL) అనేది పాలిమర్ కాంపోజిట్ సన్నని ఫిల్మ్‌లను తయారు చేయడానికి సమర్థవంతమైన పద్ధతి.కిందిది ప్రధానంగా మూడు వేర్వేరు CEల HEC, MC మరియు HPCల LBL అసెంబ్లీని PAAతో వివరిస్తుంది, వాటి అసెంబ్లీ ప్రవర్తనను పోల్చి చూస్తుంది మరియు LBL అసెంబ్లీపై ప్రత్యామ్నాయాల ప్రభావాన్ని విశ్లేషిస్తుంది.ఫిల్మ్ మందంపై pH ప్రభావం మరియు ఫిల్మ్ ఫార్మేషన్ మరియు డిసోల్యూషన్‌పై pH యొక్క విభిన్న తేడాలను పరిశోధించండి మరియు CE/PAA యొక్క నీటి శోషణ లక్షణాలను అభివృద్ధి చేయండి.

ప్రయోగాత్మక పదార్థాలు:

పాలియాక్రిలిక్ యాసిడ్ (PAA, Mw = 450,000).హైడ్రాక్సీథైల్ సెల్యులోజ్ (HEC) యొక్క 2wt.% సజల ద్రావణం యొక్క స్నిగ్ధత 300 mPa·s, మరియు ప్రత్యామ్నాయం యొక్క డిగ్రీ 2.5.మిథైల్ సెల్యులోజ్ (MC, 400 mPa·s స్నిగ్ధత మరియు 1.8 ప్రత్యామ్నాయ స్థాయితో 2wt.% సజల ద్రావణం).హైడ్రాక్సీప్రోపైల్ సెల్యులోజ్ (HPC, 400 mPa·s స్నిగ్ధత మరియు 2.5 ప్రత్యామ్నాయ డిగ్రీతో 2wt.% సజల ద్రావణం).

సినిమా తయారీ:

25°C వద్ద సిలికాన్‌పై లిక్విడ్ క్రిస్టల్ లేయర్ అసెంబ్లీ ద్వారా సిద్ధం చేయబడింది.స్లయిడ్ మ్యాట్రిక్స్ యొక్క చికిత్సా విధానం క్రింది విధంగా ఉంటుంది: ఆమ్ల ద్రావణంలో (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30నిమిషాల పాటు నానబెట్టి, pH తటస్థంగా మారే వరకు అనేక సార్లు డీయోనైజ్డ్ నీటితో శుభ్రం చేసి, చివరకు స్వచ్ఛమైన నైట్రోజన్‌తో ఆరబెట్టండి.LBL అసెంబ్లీ ఆటోమేటిక్ మెషినరీని ఉపయోగించి నిర్వహించబడుతుంది.ఉపరితలం ప్రత్యామ్నాయంగా CE ద్రావణంలో (0.2 mg/mL) మరియు PAA ద్రావణంలో (0.2 mg/mL) నానబెట్టబడుతుంది, ప్రతి ద్రావణాన్ని 4 నిమిషాలు నానబెట్టాలి.వదులుగా అటాచ్ చేయబడిన పాలిమర్‌ను తొలగించడానికి ప్రతి సొల్యూషన్ సోక్ మధ్య డీయోనైజ్డ్ వాటర్‌లో 1 నిమిషం చొప్పున మూడు శుభ్రం చేయు నానబెట్టడం జరిగింది.అసెంబ్లీ సొల్యూషన్ యొక్క pH విలువలు మరియు ప్రక్షాళన ద్రావణం రెండూ pH 2.0కి సర్దుబాటు చేయబడ్డాయి.సిద్ధం చేయబడిన చలనచిత్రాలు (CE/PAA)n వలె సూచించబడతాయి, ఇక్కడ n అసెంబ్లీ చక్రాన్ని సూచిస్తుంది.(HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 మరియు (HPC/PAA)30 ప్రధానంగా తయారు చేయబడ్డాయి.

సినిమా క్యారెక్టరైజేషన్:

నానోకాల్క్-ఎక్స్‌ఆర్ ఓషన్ ఆప్టిక్స్‌తో దాదాపు-సాధారణ రిఫ్లెక్టెన్స్ స్పెక్ట్రా రికార్డ్ చేయబడింది మరియు విశ్లేషించబడింది మరియు సిలికాన్‌పై జమ చేసిన ఫిల్మ్‌ల మందం కొలుస్తారు.నేపథ్యంగా ఖాళీ సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌తో, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై సన్నని ఫిల్మ్ యొక్క FT-IR స్పెక్ట్రం నికోలెట్ 8700 ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రోమీటర్‌లో సేకరించబడింది.

PAA మరియు CE ల మధ్య హైడ్రోజన్ బాండ్ పరస్పర చర్యలు:

LBL ఫిల్మ్‌లలోకి PAAతో HEC, MC మరియు HPC యొక్క అసెంబ్లీ.HEC/PAA, MC/PAA మరియు HPC/PAA యొక్క ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రా చిత్రంలో చూపబడింది.PAA మరియు CES యొక్క బలమైన IR సంకేతాలను HEC/PAA, MC/PAA మరియు HPC/PAA యొక్క IR స్పెక్ట్రాలో స్పష్టంగా గమనించవచ్చు.FT-IR స్పెక్ట్రోస్కోపీ లక్షణ శోషణ బ్యాండ్‌ల మార్పును పర్యవేక్షించడం ద్వారా PAA మరియు CES మధ్య హైడ్రోజన్ బాండ్ సంక్లిష్టతను విశ్లేషించగలదు.CES మరియు PAA మధ్య హైడ్రోజన్ బంధం ప్రధానంగా CES యొక్క హైడ్రాక్సిల్ ఆక్సిజన్ మరియు PAA యొక్క COOH సమూహం మధ్య జరుగుతుంది.హైడ్రోజన్ బంధం ఏర్పడిన తర్వాత, సాగతీత శిఖరం ఎరుపు తక్కువ పౌనఃపున్య దిశకు మారుతుంది.

స్వచ్ఛమైన PAA పౌడర్ కోసం 1710 cm-1 గరిష్ట స్థాయి గమనించబడింది.పాలియాక్రిలమైడ్‌ను వేర్వేరు CEలతో ఫిల్మ్‌లలోకి సమీకరించినప్పుడు, HEC/PAA, MC/PAA మరియు MPC/PAA ఫిల్మ్‌ల శిఖరాలు వరుసగా 1718 cm-1, 1720 cm-1 మరియు 1724 cm-1 వద్ద ఉన్నాయి.స్వచ్ఛమైన PAA పౌడర్‌తో పోలిస్తే, HPC/PAA, MC/PAA మరియు HEC/PAA ఫిల్మ్‌ల గరిష్ట పొడవులు వరుసగా 14, 10 మరియు 8 cm−1కి మారాయి.ఈథర్ ఆక్సిజన్ మరియు COOH మధ్య హైడ్రోజన్ బంధం COOH సమూహాల మధ్య హైడ్రోజన్ బంధానికి అంతరాయం కలిగిస్తుంది.PAA మరియు CE మధ్య ఎక్కువ హైడ్రోజన్ బంధాలు ఏర్పడతాయి, IR స్పెక్ట్రాలో CE/PAA యొక్క గరిష్ట మార్పు పెరుగుతుంది.HPC అత్యధిక స్థాయిలో హైడ్రోజన్ బాండ్ సంక్లిష్టతను కలిగి ఉంది, PAA మరియు MC మధ్యలో ఉన్నాయి మరియు HEC అత్యల్పంగా ఉన్నాయి.

PAA మరియు CEల మిశ్రమ చిత్రాల వృద్ధి ప్రవర్తన:

LBL అసెంబ్లీ సమయంలో PAA మరియు CE ల యొక్క చలన చిత్ర రూప ప్రవర్తన QCM మరియు స్పెక్ట్రల్ ఇంటర్‌ఫెరోమెట్రీని ఉపయోగించి పరిశోధించబడింది.మొదటి కొన్ని అసెంబ్లీ సైకిల్స్‌లో సిటులో ఫిల్మ్ గ్రోత్‌ని పర్యవేక్షించడానికి QCM ప్రభావవంతంగా ఉంటుంది.స్పెక్ట్రల్ ఇంటర్‌ఫెరోమీటర్‌లు 10 సైకిళ్లకు పైగా పెరిగిన ఫిల్మ్‌లకు అనుకూలంగా ఉంటాయి.

HEC/PAA ఫిల్మ్ LBL అసెంబ్లీ ప్రక్రియ అంతటా లీనియర్ గ్రోత్‌ను చూపించింది, అయితే MC/PAA మరియు HPC/PAA ఫిల్మ్‌లు అసెంబ్లీ ప్రారంభ దశల్లో ఘాతాంక వృద్ధిని చూపాయి మరియు తర్వాత లీనియర్ గ్రోత్‌గా రూపాంతరం చెందాయి.లీనియర్ గ్రోత్ రీజియన్‌లో, కాంప్లెక్సేషన్ స్థాయి ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, ఒక్కో అసెంబ్లీ సైకిల్‌కు మందం పెరుగుతుంది.

ఫిల్మ్ పెరుగుదలపై పరిష్కారం pH ప్రభావం:

ద్రావణం యొక్క pH విలువ హైడ్రోజన్ బంధిత పాలిమర్ మిశ్రమ చిత్రం యొక్క పెరుగుదలను ప్రభావితం చేస్తుంది.బలహీనమైన పాలిఎలెక్ట్రోలైట్‌గా, ద్రావణం యొక్క pH పెరిగేకొద్దీ PAA అయనీకరణం చెందుతుంది మరియు ప్రతికూలంగా ఛార్జ్ చేయబడుతుంది, తద్వారా హైడ్రోజన్ బాండ్ అనుబంధాన్ని నిరోధిస్తుంది.PAA యొక్క అయనీకరణ స్థాయి ఒక నిర్దిష్ట స్థాయికి చేరుకున్నప్పుడు, PAA LBLలో హైడ్రోజన్ బాండ్ అంగీకారాలతో చలనచిత్రంలోకి చేరలేదు.

ద్రావణం pH పెరుగుదలతో ఫిల్మ్ మందం తగ్గింది మరియు pH2.5 HPC/PAA మరియు pH3.0-3.5 HPC/PAA వద్ద ఫిల్మ్ మందం అకస్మాత్తుగా తగ్గింది.HPC/PAA యొక్క కీలక స్థానం pH 3.5, HEC/PAA 3.0.దీని అర్థం అసెంబ్లీ ద్రావణం యొక్క pH 3.5 కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, HPC/PAA ఫిల్మ్ ఏర్పడదు మరియు పరిష్కారం యొక్క pH 3.0 కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, HEC/PAA ఫిల్మ్ ఏర్పడదు.HPC/PAA మెమ్బ్రేన్ యొక్క హైడ్రోజన్ బాండ్ సంక్లిష్టత యొక్క అధిక స్థాయి కారణంగా, HPC/PAA పొర యొక్క క్లిష్టమైన pH విలువ HEC/PAA పొర కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది.ఉప్పు రహిత ద్రావణంలో, HEC/PAA, MC/PAA మరియు HPC/PAA ద్వారా ఏర్పడిన కాంప్లెక్స్‌ల యొక్క క్లిష్టమైన pH విలువలు వరుసగా 2.9, 3.2 మరియు 3.7గా ఉన్నాయి.HPC/PAA యొక్క క్లిష్టమైన pH HEC/PAA కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది LBL మెమ్బ్రేన్‌కు అనుగుణంగా ఉంటుంది.

CE/ PAA పొర యొక్క నీటి శోషణ పనితీరు:

CES హైడ్రాక్సిల్ సమూహాలలో సమృద్ధిగా ఉంటుంది, తద్వారా ఇది మంచి నీటి శోషణ మరియు నీటి నిలుపుదలని కలిగి ఉంటుంది.HEC/PAA పొరను ఉదాహరణగా తీసుకుంటే, పర్యావరణంలో నీటికి హైడ్రోజన్-బంధిత CE/PAA పొర యొక్క శోషణ సామర్థ్యం అధ్యయనం చేయబడింది.స్పెక్ట్రల్ ఇంటర్‌ఫెరోమెట్రీ ద్వారా వర్గీకరించబడిన, ఫిల్మ్ నీటిని పీల్చుకోవడంతో ఫిల్మ్ మందం పెరుగుతుంది.ఇది నీటి శోషణ సమతుల్యతను సాధించడానికి 24 గంటల పాటు 25 ° C వద్ద సర్దుబాటు తేమతో వాతావరణంలో ఉంచబడింది.తేమను పూర్తిగా తొలగించడానికి ఫిల్మ్‌లను వాక్యూమ్ ఓవెన్‌లో (40 °C) 24 గంటలకు ఎండబెట్టారు.

తేమ పెరిగినప్పుడు, చిత్రం చిక్కగా ఉంటుంది.30%-50% తక్కువ తేమ ఉన్న ప్రాంతంలో, మందం పెరుగుదల సాపేక్షంగా నెమ్మదిగా ఉంటుంది.తేమ 50% మించి ఉన్నప్పుడు, మందం వేగంగా పెరుగుతుంది.హైడ్రోజన్-బంధిత PVPON/PAA పొరతో పోలిస్తే, HEC/PAA మెంబ్రేన్ పర్యావరణం నుండి ఎక్కువ నీటిని గ్రహించగలదు.70% (25°C) సాపేక్ష ఆర్ద్రత పరిస్థితిలో, PVPON/PAA ఫిల్మ్ యొక్క గట్టిపడే పరిధి దాదాపు 4%, అయితే HEC/PAA ఫిల్మ్‌లో దాదాపు 18% వరకు ఉంటుంది.HEC/PAA వ్యవస్థలోని నిర్దిష్ట మొత్తంలో OH సమూహాలు హైడ్రోజన్ బంధాల ఏర్పాటులో పాల్గొన్నప్పటికీ, పర్యావరణంలో నీటితో సంకర్షణ చెందుతున్న OH సమూహాలు గణనీయమైన సంఖ్యలో ఉన్నాయని ఫలితాలు చూపించాయి.కాబట్టి, HEC/PAA వ్యవస్థ మంచి నీటి శోషణ లక్షణాలను కలిగి ఉంది.

ముగింపులో

(1) CE మరియు PAA యొక్క అత్యధిక హైడ్రోజన్ బాండింగ్ డిగ్రీని కలిగి ఉన్న HPC/PAA సిస్టమ్ వాటిలో అత్యంత వేగవంతమైన వృద్ధిని కలిగి ఉంది, MC/PAA మధ్యలో ఉంది మరియు HEC/PAA అత్యల్పంగా ఉంది.

(2) HEC/PAA ఫిల్మ్ ప్రిపరేషన్ ప్రక్రియ అంతటా లీనియర్ గ్రోత్ మోడ్‌ను చూపించింది, అయితే ఇతర రెండు ఫిల్మ్‌లు MC/PAA మరియు HPC/PAA మొదటి కొన్ని సైకిల్స్‌లో ఘాతాంక వృద్ధిని చూపాయి, ఆపై లీనియర్ గ్రోత్ మోడ్‌గా రూపాంతరం చెందాయి.

(3) CE/PAA ఫిల్మ్ యొక్క పెరుగుదల pH పరిష్కారంపై బలమైన ఆధారపడటాన్ని కలిగి ఉంది.పరిష్కారం pH దాని క్రిటికల్ పాయింట్ కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, PAA మరియు CE చలనచిత్రంలోకి చేరవు.సమీకరించబడిన CE/PAA మెమ్బ్రేన్ అధిక pH ద్రావణాలలో కరుగుతుంది.

(4) CE/PAA ఫిల్మ్‌లో OH మరియు COOH పుష్కలంగా ఉన్నందున, హీట్ ట్రీట్‌మెంట్ దానిని క్రాస్-లింక్ చేస్తుంది.క్రాస్-లింక్డ్ CE/PAA మెమ్బ్రేన్ మంచి స్థిరత్వాన్ని కలిగి ఉంటుంది మరియు అధిక pH ద్రావణాలలో కరగదు.

(5) CE/PAA ఫిల్మ్ పర్యావరణంలో నీటికి మంచి శోషణ సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంది.