सेलूलोज़ ईथर/पॉलीऐक्रेलिक एसिड हाइड्रोजन बॉन्डिंग फिल्म

अनुसंधान बैकग्राउंड

एक प्राकृतिक, प्रचुर और नवीकरणीय संसाधन के रूप में, सेलूलोज़ को अपने गैर-पिघलने और सीमित घुलनशीलता गुणों के कारण व्यावहारिक अनुप्रयोगों में बड़ी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। सेल्युलोज संरचना में उच्च क्रिस्टलीयता और उच्च घनत्व वाले हाइड्रोजन बांड इसे विघटित करते हैं लेकिन कब्जे की प्रक्रिया के दौरान पिघलते नहीं हैं, और पानी और अधिकांश कार्बनिक सॉल्वैंट्स में अघुलनशील होते हैं। उनके डेरिवेटिव पॉलिमर श्रृंखला में एनहाइड्रोग्लूकोज इकाइयों पर हाइड्रॉक्सिल समूहों के एस्टरीफिकेशन और ईथरिफिकेशन द्वारा उत्पादित होते हैं, और प्राकृतिक सेलूलोज़ की तुलना में कुछ अलग गुण प्रदर्शित करेंगे। सेल्युलोज की ईथरीकरण प्रतिक्रिया कई पानी में घुलनशील सेल्युलोज ईथर उत्पन्न कर सकती है, जैसे मिथाइल सेल्युलोज (एमसी), हाइड्रॉक्सीएथाइल सेलुलोज (एचईसी) और हाइड्रॉक्सीप्रोपाइल सेलुलोज (एचपीसी), जो व्यापक रूप से भोजन, सौंदर्य प्रसाधन, फार्मास्यूटिकल्स और चिकित्सा में उपयोग किए जाते हैं। पानी में घुलनशील सीई पॉलीकार्बोक्सिलिक एसिड और पॉलीफेनोल्स के साथ हाइड्रोजन-बंधित पॉलिमर बना सकता है।

पॉलिमर मिश्रित पतली फिल्में तैयार करने के लिए परत-दर-परत संयोजन (एलबीएल) एक प्रभावी तरीका है। निम्नलिखित मुख्य रूप से पीएए के साथ एचईसी, एमसी और एचपीसी के तीन अलग-अलग सीई की एलबीएल असेंबली का वर्णन करता है, उनके असेंबली व्यवहार की तुलना करता है, और एलबीएल असेंबली पर प्रतिस्थापन के प्रभाव का विश्लेषण करता है। फिल्म की मोटाई पर पीएच के प्रभाव और फिल्म के निर्माण और विघटन पर पीएच के विभिन्न अंतरों की जांच करें, और सीई/पीएए के जल अवशोषण गुणों को विकसित करें।

प्रायोगिक सामग्री:

पॉलीएक्रेलिक एसिड (PAA, Mw = 450,000)। हाइड्रोक्सीएथाइलसेलुलोज (एचईसी) के 2wt.% जलीय घोल की चिपचिपाहट 300 mPa·s है, और प्रतिस्थापन की डिग्री 2.5 है। मिथाइलसेलुलोज (एमसी, एक 2wt.% जलीय घोल जिसकी चिपचिपाहट 400 mPa·s और प्रतिस्थापन की डिग्री 1.8 है)। हाइड्रोक्सीप्रोपाइल सेल्युलोज (एचपीसी, एक 2wt.% जलीय घोल जिसकी चिपचिपाहट 400 mPa·s और प्रतिस्थापन की डिग्री 2.5 है)।

फिल्म की तैयारी:

25°C पर सिलिकॉन पर लिक्विड क्रिस्टल परत असेंबली द्वारा तैयार किया गया। स्लाइड मैट्रिक्स की उपचार विधि इस प्रकार है: 30 मिनट के लिए अम्लीय घोल (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) में भिगोएँ, फिर पीएच तटस्थ होने तक विआयनीकृत पानी से कई बार कुल्ला करें, और अंत में शुद्ध नाइट्रोजन से सुखाएँ। एलबीएल असेंबली स्वचालित मशीनरी का उपयोग करके की जाती है। सब्सट्रेट को बारी-बारी से सीई समाधान (0.2 मिलीग्राम/एमएल) और पीएए समाधान (0.2 मिलीग्राम/एमएल) में भिगोया गया था, प्रत्येक समाधान को 4 मिनट के लिए भिगोया गया था। ढीले जुड़े पॉलिमर को हटाने के लिए प्रत्येक घोल सोख के बीच विआयनीकृत पानी में 1 मिनट के तीन कुल्ला सोख किए गए। असेंबली सॉल्यूशन और रिंसिंग सॉल्यूशन दोनों के पीएच मान को पीएच 2.0 पर समायोजित किया गया था। तैयार की गई फिल्मों को (CE/PAA)n के रूप में दर्शाया गया है, जहां n असेंबली चक्र को दर्शाता है। (एचईसी/पीएए)40, (एमसी/पीएए)30 और (एचपीसी/पीएए)30 मुख्य रूप से तैयार किए गए थे।

फ़िल्म चरित्र चित्रण:

नैनोकैल्क-एक्सआर ओशन ऑप्टिक्स के साथ लगभग सामान्य परावर्तन स्पेक्ट्रा को रिकॉर्ड किया गया और उसका विश्लेषण किया गया, और सिलिकॉन पर जमा फिल्मों की मोटाई मापी गई। पृष्ठभूमि के रूप में एक खाली सिलिकॉन सब्सट्रेट के साथ, सिलिकॉन सब्सट्रेट पर पतली फिल्म के एफटी-आईआर स्पेक्ट्रम को निकोलेट 8700 इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमीटर पर एकत्र किया गया था।

पीएए और सीई के बीच हाइड्रोजन बांड इंटरैक्शन:

एलबीएल फिल्मों में पीएए के साथ एचईसी, एमसी और एचपीसी की असेंबली। एचईसी/पीएए, एमसी/पीएए और एचपीसी/पीएए का इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रा चित्र में दिखाया गया है। पीएए और सीईएस के मजबूत आईआर सिग्नल एचईसी/पीएए, एमसी/पीएए और एचपीसी/पीएए के आईआर स्पेक्ट्रा में स्पष्ट रूप से देखे जा सकते हैं। एफटी-आईआर स्पेक्ट्रोस्कोपी विशेषता अवशोषण बैंड की शिफ्ट की निगरानी करके पीएए और सीईएस के बीच हाइड्रोजन बांड जटिलता का विश्लेषण कर सकती है। सीईएस और पीएए के बीच हाइड्रोजन बंधन मुख्य रूप से सीईएस के हाइड्रॉक्सिल ऑक्सीजन और पीएए के सीओओएच समूह के बीच होता है। हाइड्रोजन बांड बनने के बाद, स्ट्रेचिंग पीक रेड कम आवृत्ति दिशा में स्थानांतरित हो जाता है।

शुद्ध पीएए पाउडर के लिए 1710 सेमी-1 का शिखर देखा गया। जब पॉलीएक्रिलामाइड को विभिन्न सीई के साथ फिल्मों में इकट्ठा किया गया था, तो एचईसी/पीएए, एमसी/पीएए और एमपीसी/पीएए फिल्मों की चोटियां क्रमशः 1718 सेमी-1, 1720 सेमी-1 और 1724 सेमी-1 पर स्थित थीं। शुद्ध पीएए पाउडर की तुलना में, एचपीसी/पीएए, एमसी/पीएए और एचईसी/पीएए फिल्मों की अधिकतम लंबाई क्रमशः 14, 10 और 8 सेमी−1 तक स्थानांतरित हो गई। ईथर ऑक्सीजन और COOH के बीच हाइड्रोजन बंधन COOH समूहों के बीच हाइड्रोजन बंधन को बाधित करता है। पीएए और सीई के बीच जितने अधिक हाइड्रोजन बांड बनेंगे, आईआर स्पेक्ट्रा में सीई/पीएए का शिखर बदलाव उतना ही अधिक होगा। एचपीसी में हाइड्रोजन बॉन्ड कॉम्प्लेक्सेशन की उच्चतम डिग्री है, पीएए और एमसी बीच में हैं, और एचईसी सबसे कम है।

पीएए और सीई की मिश्रित फिल्मों का विकास व्यवहार:

एलबीएल असेंबली के दौरान पीएए और सीई के फिल्म-निर्माण व्यवहार की जांच क्यूसीएम और स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमेट्री का उपयोग करके की गई थी। क्यूसीएम पहले कुछ असेंबली चक्रों के दौरान यथास्थान फिल्म विकास की निगरानी के लिए प्रभावी है। स्पेक्ट्रल इंटरफेरोमीटर 10 चक्रों में विकसित फिल्मों के लिए उपयुक्त हैं।

एचईसी/पीएए फिल्म ने एलबीएल असेंबली प्रक्रिया के दौरान एक रैखिक वृद्धि दिखाई, जबकि एमसी/पीएए और एचपीसी/पीएए फिल्मों ने असेंबली के शुरुआती चरणों में तेजी से वृद्धि दिखाई और फिर एक रैखिक विकास में बदल गई। रैखिक विकास क्षेत्र में, जटिलता की डिग्री जितनी अधिक होगी, प्रति असेंबली चक्र मोटाई में वृद्धि उतनी ही अधिक होगी।

फिल्म वृद्धि पर समाधान पीएच का प्रभाव:

समाधान का पीएच मान हाइड्रोजन बंधित पॉलिमर मिश्रित फिल्म के विकास को प्रभावित करता है। एक कमजोर पॉलीइलेक्ट्रोलाइट के रूप में, घोल का पीएच बढ़ने पर पीएए आयनित और नकारात्मक रूप से चार्ज हो जाएगा, जिससे हाइड्रोजन बॉन्ड एसोसिएशन बाधित हो जाएगा। जब पीएए के आयनीकरण की डिग्री एक निश्चित स्तर तक पहुंच गई, तो पीएए एलबीएल में हाइड्रोजन बांड स्वीकर्ता के साथ एक फिल्म में इकट्ठा नहीं हो सका।

घोल के pH में वृद्धि के साथ फिल्म की मोटाई कम हो गई, और pH2.5 HPC/PAA और pH3.0-3.5 HPC/PAA पर फिल्म की मोटाई अचानक कम हो गई। एचपीसी/पीएए का क्रांतिक बिंदु लगभग पीएच 3.5 है, जबकि एचईसी/पीएए का क्रांतिक बिंदु लगभग 3.0 है। इसका मतलब यह है कि जब असेंबली समाधान का पीएच 3.5 से अधिक है, तो एचपीसी/पीएए फिल्म नहीं बनाई जा सकती है, और जब समाधान का पीएच 3.0 से अधिक है, तो एचईसी/पीएए फिल्म नहीं बनाई जा सकती है। एचपीसी/पीएए झिल्ली के हाइड्रोजन बांड कॉम्प्लेक्सेशन की उच्च डिग्री के कारण, एचपीसी/पीएए झिल्ली का महत्वपूर्ण पीएच मान एचईसी/पीएए झिल्ली की तुलना में अधिक है। नमक मुक्त समाधान में, एचईसी/पीएए, एमसी/पीएए और एचपीसी/पीएए द्वारा गठित कॉम्प्लेक्स का महत्वपूर्ण पीएच मान क्रमशः 2.9, 3.2 और 3.7 था। एचपीसी/पीएए का महत्वपूर्ण पीएच एचईसी/पीएए से अधिक है, जो एलबीएल झिल्ली के अनुरूप है।

सीई/पीएए झिल्ली का जल अवशोषण प्रदर्शन:

सीईएस हाइड्रॉक्सिल समूहों से समृद्ध है जिससे इसमें जल अवशोषण और जल प्रतिधारण अच्छा होता है। उदाहरण के तौर पर एचईसी/पीएए झिल्ली को लेते हुए, पर्यावरण में पानी में हाइड्रोजन-बंधित सीई/पीएए झिल्ली की सोखने की क्षमता का अध्ययन किया गया। वर्णक्रमीय इंटरफेरोमेट्री द्वारा विशेषता, फिल्म की मोटाई बढ़ जाती है क्योंकि फिल्म पानी को अवशोषित करती है। जल अवशोषण संतुलन प्राप्त करने के लिए इसे 24 घंटे के लिए 25 डिग्री सेल्सियस पर समायोज्य आर्द्रता वाले वातावरण में रखा गया था। नमी को पूरी तरह से हटाने के लिए फिल्मों को 24 घंटे के लिए वैक्यूम ओवन (40 डिग्री सेल्सियस) में सुखाया गया।

जैसे-जैसे आर्द्रता बढ़ती है, फिल्म मोटी होती जाती है। 30%-50% की कम आर्द्रता वाले क्षेत्र में, मोटाई में वृद्धि अपेक्षाकृत धीमी है। जब आर्द्रता 50% से अधिक हो जाती है, तो मोटाई तेजी से बढ़ती है। हाइड्रोजन-बंधित PVPON/PAA झिल्ली की तुलना में, HEC/PAA झिल्ली पर्यावरण से अधिक पानी अवशोषित कर सकती है। 70% (25 डिग्री सेल्सियस) की सापेक्ष आर्द्रता की स्थिति के तहत, पीवीपीओएन/पीएए फिल्म की मोटाई सीमा लगभग 4% है, जबकि एचईसी/पीएए फिल्म की मोटाई सीमा लगभग 18% है। परिणामों से पता चला कि यद्यपि एचईसी/पीएए प्रणाली में एक निश्चित मात्रा में ओएच समूहों ने हाइड्रोजन बांड के निर्माण में भाग लिया, फिर भी पर्यावरण में पानी के साथ बातचीत करने वाले ओएच समूहों की एक बड़ी संख्या मौजूद थी। इसलिए, एचईसी/पीएए प्रणाली में अच्छे जल अवशोषण गुण हैं।

निष्कर्ष के तौर पर

(1) सीई और पीएए की उच्चतम हाइड्रोजन बॉन्डिंग डिग्री वाले एचपीसी/पीएए सिस्टम में सबसे तेज वृद्धि है, एमसी/पीएए बीच में है, और एचईसी/पीएए सबसे कम है।

(2) एचईसी/पीएए फिल्म ने पूरी तैयारी प्रक्रिया के दौरान एक रैखिक विकास मोड दिखाया, जबकि अन्य दो फिल्मों एमसी/पीएए और एचपीसी/पीएए ने पहले कुछ चक्रों में तेजी से वृद्धि दिखाई, और फिर एक रैखिक विकास मोड में बदल गई।

(3) सीई/पीएए फिल्म की वृद्धि समाधान पीएच पर एक मजबूत निर्भरता है। जब समाधान पीएच अपने महत्वपूर्ण बिंदु से अधिक होता है, तो पीएए और सीई एक फिल्म में एकत्रित नहीं हो सकते हैं। एकत्रित सीई/पीएए झिल्ली उच्च पीएच समाधान में घुलनशील थी।

(4) चूंकि CE/PAA फिल्म OH और COOH से समृद्ध है, इसलिए ताप उपचार इसे क्रॉस-लिंक्ड बनाता है। क्रॉस-लिंक्ड सीई/पीएए झिल्ली में अच्छी स्थिरता होती है और यह उच्च पीएच समाधान में अघुलनशील होती है।

(5) सीई/पीएए फिल्म में पर्यावरण में पानी की अच्छी सोखने की क्षमता है।