સેલ્યુલોઝ ઈથર/પોલિયાક્રીલિક એસિડ હાઈડ્રોજન બોન્ડિંગ ફિલ્મ

સંશોધન પૃષ્ઠભૂમિ

કુદરતી, પુષ્કળ અને નવીનીકરણીય સંસાધન તરીકે, સેલ્યુલોઝ તેના બિન-ગલન અને મર્યાદિત દ્રાવ્યતા ગુણધર્મોને કારણે વ્યવહારુ કાર્યક્રમોમાં મોટા પડકારોનો સામનો કરે છે. સેલ્યુલોઝ સ્ટ્રક્ચરમાં ઉચ્ચ સ્ફટિકીયતા અને ઉચ્ચ-ઘનતાવાળા હાઇડ્રોજન બોન્ડ્સ તેને ક્ષીણ કરે છે પરંતુ કબજાની પ્રક્રિયા દરમિયાન ઓગળતા નથી, અને પાણી અને મોટાભાગના કાર્બનિક દ્રાવકોમાં અદ્રાવ્ય બને છે. તેમના ડેરિવેટિવ્ઝ પોલિમર શૃંખલામાં એનહાઇડ્રોગ્લુકોઝ એકમો પર હાઇડ્રોક્સિલ જૂથોના એસ્ટરિફિકેશન અને ઇથરિફિકેશન દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે, અને કુદરતી સેલ્યુલોઝની તુલનામાં કેટલાક અલગ ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરશે. સેલ્યુલોઝની ઈથરફિકેશન પ્રતિક્રિયા ઘણા પાણીમાં દ્રાવ્ય સેલ્યુલોઝ ઈથર્સ પેદા કરી શકે છે, જેમ કે મિથાઈલ સેલ્યુલોઝ (MC), હાઈડ્રોક્સીઈથાઈલ સેલ્યુલોઝ (HEC) અને હાઈડ્રોક્સીપ્રોપીલ સેલ્યુલોઝ (HPC), જેનો વ્યાપકપણે ખોરાક, સૌંદર્ય પ્રસાધનો, ફાર્માસ્યુટિકલ્સ અને દવાઓમાં ઉપયોગ થાય છે. પાણીમાં દ્રાવ્ય CE પોલીકાર્બોક્સિલિક એસિડ અને પોલિફીનોલ્સ સાથે હાઇડ્રોજન-બોન્ડેડ પોલિમર બનાવી શકે છે.

લેયર-બાય-લેયર એસેમ્બલી (LBL) પોલિમર કમ્પોઝિટ પાતળી ફિલ્મો તૈયાર કરવા માટે અસરકારક પદ્ધતિ છે. નીચેના મુખ્યત્વે PAA સાથે HEC, MC અને HPC ના ત્રણ અલગ-અલગ CEની LBL એસેમ્બલીનું વર્ણન કરે છે, તેમના એસેમ્બલી વર્તનની તુલના કરે છે, અને LBL એસેમ્બલી પર અવેજીના પ્રભાવનું વિશ્લેષણ કરે છે. ફિલ્મની જાડાઈ પર pH ની અસર અને ફિલ્મની રચના અને વિસર્જન પર pH ના વિવિધ તફાવતોની તપાસ કરો અને CE/PAA ના પાણી શોષણ ગુણધર્મો વિકસાવો.

પ્રાયોગિક સામગ્રી:

પોલિએક્રીલિક એસિડ (PAA, Mw = 450,000). હાઇડ્રોક્સાઇથિલસેલ્યુલોઝ (HEC) ના 2wt.% જલીય દ્રાવણની સ્નિગ્ધતા 300 mPa·s છે, અને અવેજીની ડિગ્રી 2.5 છે. મિથાઈલસેલ્યુલોઝ (MC, 400 mPa·s ની સ્નિગ્ધતા સાથે 2wt.% જલીય દ્રાવણ અને 1.8 ની અવેજીની ડિગ્રી). હાઇડ્રોક્સીપ્રોપીલ સેલ્યુલોઝ (HPC, 400 mPa·s ની સ્નિગ્ધતા સાથે 2wt.% જલીય દ્રાવણ અને 2.5 ની અવેજીની ડિગ્રી).

ફિલ્મની તૈયારી:

25°C પર સિલિકોન પર લિક્વિડ ક્રિસ્ટલ લેયર એસેમ્બલી દ્વારા તૈયાર. સ્લાઇડ મેટ્રિક્સની સારવાર પદ્ધતિ નીચે મુજબ છે: એસિડિક દ્રાવણ (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) માં 30 મિનિટ માટે પલાળી રાખો, પછી pH તટસ્થ ન થાય ત્યાં સુધી ડીયોનાઇઝ્ડ પાણીથી ઘણી વખત કોગળા કરો, અને અંતે શુદ્ધ નાઇટ્રોજનથી સૂકવો. LBL એસેમ્બલી ઓટોમેટિક મશીનરીનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. સબસ્ટ્રેટને CE સોલ્યુશન (0.2 mg/mL) અને PAA સોલ્યુશન (0.2 mg/mL) માં વૈકલ્પિક રીતે પલાળવામાં આવ્યું હતું, દરેક દ્રાવણને 4 મિનિટ માટે પલાળવામાં આવ્યું હતું. ઢીલી રીતે જોડાયેલ પોલિમરને દૂર કરવા માટે દરેક સોલ્યુશનની વચ્ચે ડીયોનાઇઝ્ડ પાણીમાં 1 મિનિટના ત્રણ કોગળા કરવામાં આવ્યા હતા. એસેમ્બલી સોલ્યુશનના pH મૂલ્યો અને રિન્સિંગ સોલ્યુશન બંનેને pH 2.0 માં સમાયોજિત કરવામાં આવ્યા હતા. તૈયાર કરેલી ફિલ્મોને (CE/PAA)n તરીકે સૂચવવામાં આવે છે, જ્યાં n એ એસેમ્બલી ચક્ર સૂચવે છે. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 અને (HPC/PAA)30 મુખ્યત્વે તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા.

ફિલ્મ પાત્રાલેખન:

નેનોકેલ્ક-એક્સઆર ઓશન ઓપ્ટિક્સ સાથે નજીકના-સામાન્ય પ્રતિબિંબ સ્પેક્ટ્રાને રેકોર્ડ કરવામાં આવ્યા હતા અને તેનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું, અને સિલિકોન પર જમા થયેલી ફિલ્મોની જાડાઈ માપવામાં આવી હતી. પૃષ્ઠભૂમિ તરીકે ખાલી સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ સાથે, સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પરની પાતળી ફિલ્મનું FT-IR સ્પેક્ટ્રમ નિકોલેટ 8700 ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોમીટર પર એકત્રિત કરવામાં આવ્યું હતું.

PAA અને CE વચ્ચે હાઇડ્રોજન બોન્ડ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ:

LBL ફિલ્મોમાં PAA સાથે HEC, MC અને HPC ની એસેમ્બલી. HEC/PAA, MC/PAA અને HPC/PAA ના ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રા આકૃતિમાં બતાવવામાં આવ્યા છે. PAA અને CES ના મજબૂત IR સિગ્નલો HEC/PAA, MC/PAA અને HPC/PAA ના IR સ્પેક્ટ્રામાં સ્પષ્ટપણે જોઈ શકાય છે. FT-IR સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી લાક્ષણિક શોષણ બેન્ડના શિફ્ટનું નિરીક્ષણ કરીને PAA અને CES વચ્ચેના હાઇડ્રોજન બોન્ડ જટિલતાનું વિશ્લેષણ કરી શકે છે. CES અને PAA વચ્ચેનું હાઇડ્રોજન બંધન મુખ્યત્વે CES ના હાઇડ્રોક્સિલ ઓક્સિજન અને PAA ના COOH જૂથ વચ્ચે થાય છે. હાઇડ્રોજન બોન્ડ રચાયા પછી, સ્ટ્રેચિંગ પીક લાલ નીચી આવર્તન દિશામાં શિફ્ટ થાય છે.

શુદ્ધ PAA પાવડર માટે 1710 cm-1 ની ટોચ જોવામાં આવી હતી. જ્યારે પોલિએક્રિલામાઇડને વિવિધ CE સાથે ફિલ્મોમાં એસેમ્બલ કરવામાં આવ્યું હતું, ત્યારે HEC/PAA, MC/PAA અને MPC/PAA ફિલ્મોના શિખરો અનુક્રમે 1718 cm-1, 1720 cm-1 અને 1724 cm-1 પર સ્થિત હતા. શુદ્ધ PAA પાવડરની તુલનામાં, HPC/PAA, MC/PAA અને HEC/PAA ફિલ્મોની ટોચની લંબાઈ અનુક્રમે 14, 10 અને 8 cm−1 દ્વારા શિફ્ટ થઈ છે. ઈથર ઓક્સિજન અને COOH વચ્ચેનું હાઈડ્રોજન બોન્ડ COOH જૂથો વચ્ચેના હાઈડ્રોજન બોન્ડને વિક્ષેપિત કરે છે. PAA અને CE વચ્ચે જેટલા વધુ હાઇડ્રોજન બોન્ડ રચાય છે, IR સ્પેક્ટ્રામાં CE/PAA ની ટોચની શિફ્ટ જેટલી વધારે છે. HPC હાઇડ્રોજન બોન્ડ કોમ્પ્લેક્સેશનની સૌથી વધુ ડિગ્રી ધરાવે છે, PAA અને MC મધ્યમાં છે, અને HEC સૌથી નીચું છે.

PAA અને CEs ની સંયુક્ત ફિલ્મોની વૃદ્ધિ વર્તન:

LBL એસેમ્બલી દરમિયાન PAA અને CEs ની ફિલ્મ-રચના વર્તનની તપાસ QCM અને સ્પેક્ટ્રલ ઇન્ટરફેરોમેટ્રીનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવી હતી. પ્રથમ થોડા એસેમ્બલી સાયકલ દરમિયાન ફિલ્મની વૃદ્ધિને મોનિટર કરવા માટે QCM અસરકારક છે. સ્પેક્ટ્રલ ઇન્ટરફેરોમીટર 10 ચક્રમાં ઉગાડવામાં આવતી ફિલ્મો માટે યોગ્ય છે.

HEC/PAA ફિલ્મે સમગ્ર LBL એસેમ્બલી પ્રક્રિયા દરમિયાન રેખીય વૃદ્ધિ દર્શાવી હતી, જ્યારે MC/PAA અને HPC/PAA ફિલ્મોએ એસેમ્બલીના પ્રારંભિક તબક્કામાં ઘાતાંકીય વૃદ્ધિ દર્શાવી હતી અને પછી તે રેખીય વૃદ્ધિમાં પરિવર્તિત થઈ હતી. રેખીય વૃદ્ધિના પ્રદેશમાં, જટિલતાની ડિગ્રી જેટલી વધારે છે, એસેમ્બલી ચક્ર દીઠ જાડાઈની વૃદ્ધિ વધારે છે.

ફિલ્મ વૃદ્ધિ પર ઉકેલ pH ની અસર:

સોલ્યુશનનું pH મૂલ્ય હાઇડ્રોજન બોન્ડેડ પોલિમર કમ્પોઝિટ ફિલ્મના વિકાસને અસર કરે છે. નબળા પોલીઈલેક્ટ્રોલાઈટ તરીકે, PAA ને આયનોઈઝ્ડ અને નકારાત્મક રીતે ચાર્જ કરવામાં આવશે કારણ કે સોલ્યુશનનું pH વધે છે, જેનાથી હાઈડ્રોજન બોન્ડ એસોસિએશનને અવરોધે છે. જ્યારે PAA ના આયનીકરણની ડિગ્રી ચોક્કસ સ્તરે પહોંચી, ત્યારે PAA LBL માં હાઇડ્રોજન બોન્ડ સ્વીકારનારાઓ સાથે ફિલ્મમાં એસેમ્બલ થઈ શક્યું નહીં.

સોલ્યુશન pH ના વધારા સાથે ફિલ્મની જાડાઈમાં ઘટાડો થયો, અને pH2.5 HPC/PAA અને pH3.0-3.5 HPC/PAA પર ફિલ્મની જાડાઈ અચાનક ઘટી ગઈ. HPC/PAA નું નિર્ણાયક બિંદુ લગભગ pH 3.5 છે, જ્યારે HEC/PAA નું લગભગ 3.0 છે. આનો અર્થ એ થાય કે જ્યારે એસેમ્બલી સોલ્યુશનનું pH 3.5 કરતા વધારે હોય, ત્યારે HPC/PAA ફિલ્મ બની શકતી નથી, અને જ્યારે સોલ્યુશનનું pH 3.0 કરતા વધારે હોય, ત્યારે HEC/PAA ફિલ્મ બની શકતી નથી. HPC/PAA પટલના હાઇડ્રોજન બોન્ડ જટિલતાની ઉચ્ચ ડિગ્રીને લીધે, HPC/PAA પટલનું નિર્ણાયક pH મૂલ્ય HEC/PAA પટલ કરતાં વધારે છે. મીઠું-મુક્ત દ્રાવણમાં, HEC/PAA, MC/PAA અને HPC/PAA દ્વારા રચાયેલા સંકુલના નિર્ણાયક pH મૂલ્યો અનુક્રમે લગભગ 2.9, 3.2 અને 3.7 હતા. HPC/PAA નું નિર્ણાયક pH HEC/PAA કરતા વધારે છે, જે LBL મેમ્બ્રેન સાથે સુસંગત છે.

CE/PAA મેમ્બ્રેનનું પાણી શોષણ પ્રદર્શન:

CES હાઇડ્રોક્સિલ જૂથોમાં સમૃદ્ધ છે જેથી તે સારી રીતે પાણીનું શોષણ અને પાણી જાળવી રાખે છે. ઉદાહરણ તરીકે HEC/PAA મેમ્બ્રેન લેતા, પર્યાવરણમાં પાણીમાં હાઇડ્રોજન-બોન્ડેડ CE/PAA પટલની શોષણ ક્ષમતાનો અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો. સ્પેક્ટ્રલ ઇન્ટરફેરોમેટ્રી દ્વારા લાક્ષણિકતા, ફિલ્મની જાડાઈ વધે છે કારણ કે ફિલ્મ પાણીને શોષી લે છે. તેને પાણી શોષણ સંતુલન હાંસલ કરવા માટે 24 કલાક માટે 25°C પર એડજસ્ટેબલ ભેજવાળા વાતાવરણમાં મૂકવામાં આવ્યું હતું. ભેજને સંપૂર્ણપણે દૂર કરવા માટે ફિલ્મોને વેક્યૂમ ઓવન (40 °C) માં 24 કલાક માટે સૂકવવામાં આવી હતી.

જેમ જેમ ભેજ વધે છે તેમ, ફિલ્મ જાડી થાય છે. 30%-50% ની ઓછી ભેજવાળા વિસ્તારમાં, જાડાઈની વૃદ્ધિ પ્રમાણમાં ધીમી હોય છે. જ્યારે ભેજ 50% થી વધી જાય છે, ત્યારે જાડાઈ ઝડપથી વધે છે. હાઇડ્રોજન-બોન્ડેડ PVPON/PAA મેમ્બ્રેનની સરખામણીમાં, HEC/PAA પટલ પર્યાવરણમાંથી વધુ પાણી શોષી શકે છે. 70% (25°C) ની સાપેક્ષ ભેજની સ્થિતિમાં, PVPON/PAA ફિલ્મની જાડાઈની શ્રેણી લગભગ 4% છે, જ્યારે HEC/PAA ફિલ્મની લગભગ 18% જેટલી ઊંચી છે. પરિણામો દર્શાવે છે કે HEC/PAA સિસ્ટમમાં OH જૂથોની ચોક્કસ માત્રાએ હાઈડ્રોજન બોન્ડની રચનામાં ભાગ લીધો હોવા છતાં, પર્યાવરણમાં પાણી સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા OH જૂથોની નોંધપાત્ર સંખ્યા હજુ પણ હતી. તેથી, HEC/PAA સિસ્ટમમાં સારી પાણી શોષણ ગુણધર્મો છે.

નિષ્કર્ષમાં

(1) CE અને PAA ની હાઇડ્રોજન બોન્ડિંગ ડિગ્રી સાથે HPC/PAA સિસ્ટમ સૌથી ઝડપી વૃદ્ધિ ધરાવે છે, MC/PAA મધ્યમાં છે, અને HEC/PAA સૌથી નીચો છે.

(2) HEC/PAA ફિલ્મે સમગ્ર તૈયારી પ્રક્રિયા દરમિયાન એક લીનિયર ગ્રોથ મોડ દર્શાવ્યો હતો, જ્યારે અન્ય બે ફિલ્મો MC/PAA અને HPC/PAAએ પ્રથમ થોડા ચક્રોમાં ઘાતાંકીય વૃદ્ધિ દર્શાવી હતી, અને પછી રેખીય વૃદ્ધિ મોડમાં પરિવર્તિત થઈ હતી.

(3) CE/PAA ફિલ્મની વૃદ્ધિ સોલ્યુશન pH પર મજબૂત અવલંબન ધરાવે છે. જ્યારે સોલ્યુશન pH તેના નિર્ણાયક બિંદુ કરતા વધારે હોય, ત્યારે PAA અને CE ફિલ્મમાં ભેગા થઈ શકતા નથી. એસેમ્બલ કરેલ CE/PAA પટલ ઉચ્ચ pH ઉકેલોમાં દ્રાવ્ય હતું.

(4) CE/PAA ફિલ્મ OH અને COOH માં સમૃદ્ધ હોવાથી, હીટ ટ્રીટમેન્ટ તેને ક્રોસ-લિંક બનાવે છે. ક્રોસ-લિંક્ડ CE/PAA મેમ્બ્રેન સારી સ્થિરતા ધરાવે છે અને ઉચ્ચ pH ઉકેલોમાં અદ્રાવ્ય છે.

(5) CE/PAA ફિલ્મ પર્યાવરણમાં પાણી માટે સારી શોષણ ક્ષમતા ધરાવે છે.