Latar belakang penelitian
Sebagai sumber daya alam yang melimpah dan terbarukan, selulosa menghadapi tantangan besar dalam penerapan praktisnya karena sifatnya yang tidak dapat meleleh dan kelarutannya yang terbatas.Kristalinitas tinggi dan ikatan hidrogen densitas tinggi dalam struktur selulosa membuatnya terdegradasi tetapi tidak meleleh selama proses kepemilikan, dan tidak larut dalam air dan sebagian besar pelarut organik.Turunannya dihasilkan melalui esterifikasi dan eterifikasi gugus hidroksil pada unit anhidroglukosa dalam rantai polimer, dan akan menunjukkan beberapa sifat berbeda dibandingkan selulosa alami.Reaksi eterifikasi selulosa dapat menghasilkan banyak eter selulosa yang larut dalam air, seperti metil selulosa (MC), hidroksietil selulosa (HEC) dan hidroksipropil selulosa (HPC), yang banyak digunakan dalam makanan, kosmetik, farmasi dan obat-obatan.CE yang larut dalam air dapat membentuk polimer terikat hidrogen dengan asam polikarboksilat dan polifenol.
Perakitan lapis demi lapis (LBL) adalah metode yang efektif untuk menyiapkan film tipis komposit polimer.Berikut ini terutama menjelaskan perakitan LBL dari tiga CE berbeda yaitu HEC, MC dan HPC dengan PAA, membandingkan perilaku perakitannya, dan menganalisis pengaruh substituen pada perakitan LBL.Selidiki pengaruh pH pada ketebalan film, dan perbedaan pH pada pembentukan dan pembubaran film, dan kembangkan sifat penyerapan air CE/PAA.
Bahan Percobaan:
Asam poliakrilat (PAA, Mw = 450.000).Viskositas larutan hidroksietilselulosa (HEC) 2% berat adalah 300 mPa·s, dan derajat substitusinya adalah 2,5.Metilselulosa (MC, larutan berair 2% berat dengan viskositas 400 mPa·s dan derajat substitusi 1,8).Hidroksipropil selulosa (HPC, larutan berair 2% berat dengan viskositas 400 mPa·s dan derajat substitusi 2,5).
Persiapan film:
Disiapkan dengan perakitan lapisan kristal cair pada silikon pada suhu 25°C.Cara pengolahan matriks slide adalah sebagai berikut: rendam dalam larutan asam (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) selama 30 menit, kemudian bilas dengan air deionisasi beberapa kali hingga pH menjadi netral, dan terakhir keringkan dengan nitrogen murni.Perakitan LBL dilakukan dengan menggunakan mesin otomatis.Substrat direndam secara bergantian dalam larutan CE (0,2 mg/mL) dan larutan PAA (0,2 mg/mL), masing-masing larutan direndam selama 4 menit.Tiga kali perendaman bilas masing-masing 1 menit dalam air deionisasi dilakukan di antara setiap larutan rendam untuk menghilangkan polimer yang terikat secara longgar.Nilai pH larutan perakitan dan larutan pembilas keduanya disesuaikan dengan pH 2,0.Film yang telah disiapkan dilambangkan dengan (CE/PAA)n, dimana n menunjukkan siklus perakitan.(HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 dan (HPC/PAA)30 sebagian besar disiapkan.
Karakterisasi Film:
Spektrum reflektansi mendekati normal dicatat dan dianalisis dengan NanoCalc-XR Ocean Optics, dan ketebalan film yang disimpan pada silikon diukur.Dengan substrat silikon kosong sebagai latar belakang, spektrum FT-IR dari film tipis pada substrat silikon dikumpulkan pada spektrometer inframerah Nicolet 8700.
Interaksi ikatan hidrogen antara PAA dan CE:
Perakitan HEC, MC dan HPC dengan PAA menjadi film LBL.Spektrum inframerah HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA ditunjukkan pada gambar.Sinyal IR yang kuat dari PAA dan CES dapat diamati dengan jelas pada spektrum IR HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA.Spektroskopi FT-IR dapat menganalisis kompleksasi ikatan hidrogen antara PAA dan CES dengan memantau pergeseran karakteristik pita serapan.Ikatan hidrogen antara CES dan PAA terutama terjadi antara oksigen hidroksil CES dan gugus COOH PAA.Setelah ikatan hidrogen terbentuk, puncak regangan berwarna merah bergeser ke arah frekuensi rendah.
Puncak 1710 cm-1 diamati untuk bubuk PAA murni.Ketika poliakrilamida dirangkai menjadi film dengan CE yang berbeda, puncak film HEC/PAA, MC/PAA dan MPC/PAA masing-masing terletak pada 1718 cm-1, 1720 cm-1 dan 1724 cm-1.Dibandingkan dengan bubuk PAA murni, panjang puncak film HPC/PAA, MC/PAA dan HEC/PAA masing-masing bergeser sebesar 14, 10 dan 8 cm−1.Ikatan hidrogen antara oksigen eter dan COOH memutus ikatan hidrogen antara gugus COOH.Semakin banyak ikatan hidrogen yang terbentuk antara PAA dan CE, semakin besar pergeseran puncak CE/PAA pada spektrum IR.HPC memiliki derajat kompleksasi ikatan hidrogen tertinggi, PAA dan MC berada di tengah, dan HEC paling rendah.
Perilaku pertumbuhan film komposit PAA dan CE:
Perilaku pembentukan film PAA dan CE selama perakitan LBL diselidiki menggunakan QCM dan interferometri spektral.QCM efektif untuk memantau pertumbuhan film in situ selama beberapa siklus perakitan pertama.Interferometer spektral cocok untuk film yang ditumbuhkan dalam 10 siklus.
Film HEC/PAA menunjukkan pertumbuhan linier sepanjang proses perakitan LBL, sedangkan film MC/PAA dan HPC/PAA menunjukkan pertumbuhan eksponensial pada tahap awal perakitan dan kemudian berubah menjadi pertumbuhan linier.Di wilayah pertumbuhan linier, semakin tinggi derajat kompleksasinya, semakin besar pula pertumbuhan ketebalan per siklus perakitan.
Pengaruh pH larutan terhadap pertumbuhan film:
Nilai pH larutan mempengaruhi pertumbuhan film komposit polimer berikatan hidrogen.Sebagai polielektrolit lemah, PAA akan terionisasi dan bermuatan negatif seiring dengan meningkatnya pH larutan, sehingga menghambat ikatan ikatan hidrogen.Ketika derajat ionisasi PAA mencapai tingkat tertentu, PAA tidak dapat berkumpul menjadi film dengan akseptor ikatan hidrogen di LBL.
Ketebalan film menurun seiring dengan meningkatnya pH larutan, dan ketebalan film menurun secara tiba-tiba pada pH2,5 HPC/PAA dan pH3,0-3,5 HPC/PAA.Titik kritis HPC/PAA adalah sekitar pH 3,5, sedangkan HEC/PAA sekitar 3,0.Artinya bila pH larutan rakitan lebih tinggi dari 3,5 maka film HPC/PAA tidak dapat terbentuk, dan bila pH larutan lebih tinggi dari 3,0 maka film HEC/PAA tidak dapat terbentuk.Karena tingkat kompleksasi ikatan hidrogen yang lebih tinggi pada membran HPC/PAA, nilai pH kritis membran HPC/PAA lebih tinggi dibandingkan dengan membran HEC/PAA.Dalam larutan bebas garam, nilai pH kritis kompleks yang dibentuk oleh HEC/PAA, MC/PAA dan HPC/PAA masing-masing sekitar 2,9, 3,2 dan 3,7.PH kritis HPC/PAA lebih tinggi dibandingkan HEC/PAA, yang konsisten dengan membran LBL.
Kinerja penyerapan air membran CE/PAA:
CES kaya akan gugus hidroksil sehingga memiliki daya serap dan retensi air yang baik.Dengan mengambil contoh membran HEC/PAA, kapasitas adsorpsi membran CE/PAA berikatan hidrogen terhadap air di lingkungan dipelajari.Ditandai dengan interferometri spektral, ketebalan film meningkat seiring dengan penyerapan air oleh film.Itu ditempatkan di lingkungan dengan kelembaban yang dapat disesuaikan pada 25°C selama 24 jam untuk mencapai keseimbangan penyerapan air.Film dikeringkan dalam oven vakum (40 °C) selama 24 jam untuk menghilangkan kelembapan sepenuhnya.
Saat kelembapan meningkat, film mengental.Pada daerah dengan kelembaban rendah 30%-50%, pertumbuhan ketebalan relatif lambat.Ketika kelembapan melebihi 50%, ketebalannya bertambah dengan cepat.Dibandingkan dengan membran PVPON/PAA yang terikat hidrogen, membran HEC/PAA dapat menyerap lebih banyak air dari lingkungan.Pada kondisi kelembaban relatif 70% (25°C), kisaran pengentalan film PVPON/PAA adalah sekitar 4%, sedangkan film HEC/PAA setinggi sekitar 18%.Hasil penelitian menunjukkan bahwa meskipun sejumlah gugus OH dalam sistem HEC/PAA berpartisipasi dalam pembentukan ikatan hidrogen, masih terdapat sejumlah besar gugus OH yang berinteraksi dengan air di lingkungan.Oleh karena itu, sistem HEC/PAA memiliki sifat penyerapan air yang baik.
Kesimpulannya
(1) Sistem HPC/PAA dengan tingkat ikatan hidrogen CE dan PAA tertinggi memiliki pertumbuhan tercepat di antara keduanya, MC/PAA berada di tengah, dan HEC/PAA paling rendah.
(2) Film HEC/PAA menunjukkan mode pertumbuhan linier selama proses persiapan, sedangkan dua film MC/PAA dan HPC/PAA lainnya menunjukkan pertumbuhan eksponensial dalam beberapa siklus pertama, dan kemudian diubah menjadi mode pertumbuhan linier.
(3) Pertumbuhan film CE/PAA sangat bergantung pada pH larutan.Ketika pH larutan lebih tinggi dari titik kritisnya, PAA dan CE tidak dapat berkumpul menjadi sebuah film.Membran CE/PAA yang dirakit dapat larut dalam larutan pH tinggi.
(4) Karena film CE/PAA kaya akan OH dan COOH, perlakuan panas membuatnya saling berikatan silang.Membran CE/PAA ikatan silang memiliki stabilitas yang baik dan tidak larut dalam larutan pH tinggi.
(5) Film CE/PAA memiliki kapasitas adsorpsi yang baik terhadap air di lingkungan.
Waktu posting: 18 Februari-2023