সেলুলোজ ইথার/পলিঅ্যাক্রাইলিক অ্যাসিড হাইড্রোজেন বন্ধন ফিল্ম

গবেষণার পটভূমি

একটি প্রাকৃতিক, সহজলভ্য এবং নবায়নযোগ্য সম্পদ হওয়া সত্ত্বেও, সেলুলোজ তার অগলনশীল এবং সীমিত দ্রবণীয়তার বৈশিষ্ট্যের কারণে ব্যবহারিক প্রয়োগে ব্যাপক প্রতিবন্ধকতার সম্মুখীন হয়। সেলুলোজ কাঠামোর উচ্চ কেলাসত্ব এবং উচ্চ-ঘনত্বের হাইড্রোজেন বন্ধনের কারণে এটি প্রক্রিয়াকরণকালে গলে না গিয়ে বরং ভেঙে যায় এবং এটি জল ও বেশিরভাগ জৈব দ্রাবকে অদ্রবণীয়। পলিমার শৃঙ্খলে থাকা অ্যানহাইড্রোগ্লুকোজ এককের হাইড্রোক্সিল গ্রুপগুলোর এস্টারিফিকেশন এবং ইথারিফিকেশনের মাধ্যমে এর ডেরিভেটিভগুলো উৎপাদিত হয় এবং এগুলো প্রাকৃতিক সেলুলোজের তুলনায় কিছু ভিন্ন বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে। সেলুলোজের ইথারিফিকেশন বিক্রিয়ার মাধ্যমে অনেক জল-দ্রবণীয় সেলুলোজ ইথার তৈরি হতে পারে, যেমন মিথাইল সেলুলোজ (MC), হাইড্রোক্সিইথাইল সেলুলোজ (HEC) এবং হাইড্রোক্সিপ্রোপাইল সেলুলোজ (HPC), যা খাদ্য, প্রসাধনী, ঔষধশিল্প এবং চিকিৎসাক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। জল-দ্রবণীয় সেলুলোজ ইথার পলিকার্বক্সিলিক অ্যাসিড এবং পলিফেনলের সাথে হাইড্রোজেন-বন্ধিত পলিমার গঠন করতে পারে।

স্তর-পর-স্তর সংযোজন (LBL) হলো পলিমার কম্পোজিট পাতলা ফিল্ম তৈরির একটি কার্যকর পদ্ধতি। নিম্নে প্রধানত PAA-এর সাথে HEC, MC এবং HPC-এর মতো তিনটি ভিন্ন CE-এর LBL সংযোজন বর্ণনা করা হয়েছে, তাদের সংযোজন আচরণের তুলনা করা হয়েছে এবং LBL সংযোজনের উপর প্রতিস্থাপকসমূহের প্রভাব বিশ্লেষণ করা হয়েছে। ফিল্মের পুরুত্বের উপর pH-এর প্রভাব, ফিল্ম গঠন ও দ্রবীভূত হওয়ার উপর pH-এর বিভিন্ন পার্থক্যের প্রভাব অনুসন্ধান করা হয়েছে এবং CE/PAA-এর জল শোষণ বৈশিষ্ট্য উন্নত করা হয়েছে।

পরীক্ষামূলক উপকরণ:

পলিঅ্যাক্রাইলিক অ্যাসিড (PAA, আণবিক ওজন = ৪৫০,০০০)। হাইড্রোক্সিইথাইলসেলুলোজ (HEC)-এর ২ ওজন শতাংশ জলীয় দ্রবণের সান্দ্রতা ৩০০ mPa·s এবং প্রতিস্থাপনের মাত্রা ২.৫। মিথাইলসেলুলোজ (MC, একটি ২ ওজন শতাংশ জলীয় দ্রবণ যার সান্দ্রতা ৪০০ mPa·s এবং প্রতিস্থাপনের মাত্রা ১.৮)। হাইড্রোক্সিপ্রোপাইল সেলুলোজ (HPC, একটি ২ ওজন শতাংশ জলীয় দ্রবণ যার সান্দ্রতা ৪০০ mPa·s এবং প্রতিস্থাপনের মাত্রা ২.৫)।

চলচ্চিত্র প্রস্তুতি:

২৫° সেলসিয়াস তাপমাত্রায় সিলিকনের উপর লিকুইড ক্রিস্টাল লেয়ার অ্যাসেম্বলির মাধ্যমে এটি প্রস্তুত করা হয়। স্লাইড ম্যাট্রিক্সের ট্রিটমেন্ট পদ্ধতিটি নিম্নরূপ: ৩০ মিনিটের জন্য অ্যাসিডিক দ্রবণে (H2SO4/H2O2, ৭/৩ আয়তন/আয়তন) ভিজিয়ে রাখা, তারপর পিএইচ নিরপেক্ষ না হওয়া পর্যন্ত কয়েকবার ডিআয়োনাইজড জল দিয়ে ধুয়ে ফেলা এবং সবশেষে বিশুদ্ধ নাইট্রোজেন দিয়ে শুকানো। স্বয়ংক্রিয় যন্ত্রপাতির সাহায্যে এলবিএল অ্যাসেম্বলি সম্পন্ন করা হয়। সাবস্ট্রেটটিকে পর্যায়ক্রমে সিই দ্রবণ (০.২ মিলিগ্রাম/মিলি) এবং পিএএ দ্রবণ (০.২ মিলিগ্রাম/মিলি)-এ ভিজিয়ে রাখা হয়েছিল, প্রতিটি দ্রবণে ৪ মিনিট করে ভিজিয়ে রাখা হয়। আলগাভাবে লেগে থাকা পলিমার অপসারণের জন্য প্রতিটি দ্রবণে ভেজানোর মাঝে ডিআয়োনাইজড জলে ১ মিনিট করে তিনবার ধুয়ে নেওয়া হয়। অ্যাসেম্বলি দ্রবণ এবং ধোয়ার দ্রবণ উভয়ের পিএইচ মান ২.০-তে সামঞ্জস্য করা হয়েছিল। প্রস্তুতকৃত ফিল্মগুলোকে (CE/PAA)n হিসাবে চিহ্নিত করা হয়, যেখানে n অ্যাসেম্বলি চক্রকে বোঝায়। প্রধানত (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30 এবং (HPC/PAA)30 প্রস্তুত করা হয়েছিল।

চলচ্চিত্রের চরিত্রায়ণ:

ন্যানোক্যালক-এক্সআর ওশান অপটিক্স ব্যবহার করে প্রায়-স্বাভাবিক প্রতিফলন বর্ণালী রেকর্ড ও বিশ্লেষণ করা হয়েছিল এবং সিলিকনের উপর জমা করা ফিল্মগুলির পুরুত্ব পরিমাপ করা হয়েছিল। পটভূমি হিসাবে একটি ফাঁকা সিলিকন সাবস্ট্রেট ব্যবহার করে, সিলিকন সাবস্ট্রেটের উপর থাকা পাতলা ফিল্মটির এফটি-আইআর বর্ণালী একটি নিকোলেট ৮৭০০ ইনফ্রারেড স্পেকট্রোমিটারে সংগ্রহ করা হয়েছিল।

PAA এবং CE-এর মধ্যে হাইড্রোজেন বন্ধন মিথস্ক্রিয়া:

PAA-এর সাথে HEC, MC এবং HPC-কে একত্রিত করে LBL ফিল্ম তৈরি করা হয়। চিত্রে HEC/PAA, MC/PAA এবং HPC/PAA-এর ইনফ্রারেড বর্ণালী দেখানো হয়েছে। HEC/PAA, MC/PAA এবং HPC/PAA-এর IR বর্ণালীতে PAA এবং CES-এর শক্তিশালী IR সংকেত স্পষ্টভাবে লক্ষ্য করা যায়। FT-IR স্পেকট্রোস্কোপি বৈশিষ্ট্যপূর্ণ শোষণ ব্যান্ডগুলির স্থান পরিবর্তন পর্যবেক্ষণের মাধ্যমে PAA এবং CES-এর মধ্যে হাইড্রোজেন বন্ধন জটিলতা বিশ্লেষণ করতে পারে। CES এবং PAA-এর মধ্যে হাইড্রোজেন বন্ধন প্রধানত CES-এর হাইড্রোক্সিল অক্সিজেন এবং PAA-এর COOH গ্রুপের মধ্যে ঘটে। হাইড্রোজেন বন্ধন গঠিত হওয়ার পর, স্ট্রেচিং পিকটি নিম্ন কম্পাঙ্কের দিকে রেড শিফট হয়।

বিশুদ্ধ PAA পাউডারের জন্য 1710 cm-1 এর একটি শীর্ষবিন্দু পরিলক্ষিত হয়েছিল। যখন পলিঅ্যাক্রিলামাইডকে বিভিন্ন CE-এর সাথে ফিল্মে একত্রিত করা হয়েছিল, তখন HEC/PAA, MC/PAA এবং MPC/PAA ফিল্মগুলির শীর্ষবিন্দুগুলি যথাক্রমে 1718 cm-1, 1720 cm-1 এবং 1724 cm-1 এ অবস্থিত ছিল। বিশুদ্ধ PAA পাউডারের তুলনায়, HPC/PAA, MC/PAA এবং HEC/PAA ফিল্মগুলির শীর্ষবিন্দুর দৈর্ঘ্য যথাক্রমে 14, 10 এবং 8 cm−1 স্থানান্তরিত হয়েছিল। ইথার অক্সিজেন এবং COOH এর মধ্যেকার হাইড্রোজেন বন্ধন COOH গ্রুপগুলির মধ্যেকার হাইড্রোজেন বন্ধনকে ব্যাহত করে। PAA এবং CE-এর মধ্যে যত বেশি হাইড্রোজেন বন্ধন গঠিত হয়, IR বর্ণালীতে CE/PAA এর শীর্ষবিন্দুর স্থানান্তর তত বেশি হয়। HPC-তে হাইড্রোজেন বন্ধন জটিলতার মাত্রা সর্বোচ্চ, PAA এবং MC মাঝামাঝি এবং HEC-তে সর্বনিম্ন।

PAA এবং CEs এর যৌগিক ফিল্মের বৃদ্ধির আচরণ:

QCM এবং স্পেকট্রাল ইন্টারফেরোমেট্রি ব্যবহার করে LBL অ্যাসেম্বলির সময় PAA এবং CE-এর ফিল্ম তৈরির আচরণ পরীক্ষা করা হয়েছিল। প্রথম কয়েকটি অ্যাসেম্বলি চক্রের সময় ইন সিটু ফিল্মের বৃদ্ধি পর্যবেক্ষণের জন্য QCM কার্যকর। ১০টিরও বেশি চক্রে গঠিত ফিল্মের জন্য স্পেকট্রাল ইন্টারফেরোমিটার উপযুক্ত।

HEC/PAA ফিল্মটি LBL অ্যাসেম্বলি প্রক্রিয়া জুড়ে রৈখিক বৃদ্ধি দেখিয়েছে, অন্যদিকে MC/PAA এবং HPC/PAA ফিল্মগুলি অ্যাসেম্বলির প্রাথমিক পর্যায়ে সূচকীয় বৃদ্ধি দেখিয়ে পরে রৈখিক বৃদ্ধিতে রূপান্তরিত হয়েছে। রৈখিক বৃদ্ধির অঞ্চলে, জটিলতার মাত্রা যত বেশি, প্রতি অ্যাসেম্বলি চক্রে পুরুত্বের বৃদ্ধিও তত বেশি।

ফিল্মের বৃদ্ধিতে দ্রবণের pH-এর প্রভাব:

দ্রবণের pH মান হাইড্রোজেন বন্ধনযুক্ত পলিমার কম্পোজিট ফিল্মের বৃদ্ধিকে প্রভাবিত করে। একটি দুর্বল পলিইলেকট্রোলাইট হিসেবে, দ্রবণের pH বাড়ার সাথে সাথে PAA আয়নিত ও ঋণাত্মকভাবে চার্জিত হয়, যার ফলে হাইড্রোজেন বন্ধন সংযুক্তি ব্যাহত হয়। যখন PAA-এর আয়নিত হওয়ার মাত্রা একটি নির্দিষ্ট স্তরে পৌঁছায়, তখন PAA, LBL-এ হাইড্রোজেন বন্ধন গ্রহণকারীর সাথে ফিল্ম হিসেবে একত্রিত হতে পারে না।

দ্রবণের pH বৃদ্ধির সাথে সাথে ফিল্মের পুরুত্ব হ্রাস পায়, এবং pH ২.৫ HPC/PAA ও pH ৩.০-৩.৫ HPC/PAA-তে ফিল্মের পুরুত্ব হঠাৎ কমে যায়। HPC/PAA-এর সংকট বিন্দু প্রায় pH ৩.৫, যেখানে HEC/PAA-এর সংকট বিন্দু প্রায় ৩.০। এর অর্থ হলো, যখন অ্যাসেম্বলি দ্রবণের pH ৩.৫-এর বেশি হয়, তখন HPC/PAA ফিল্ম গঠিত হতে পারে না, এবং যখন দ্রবণের pH ৩.০-এর বেশি হয়, তখন HEC/PAA ফিল্ম গঠিত হতে পারে না। HPC/PAA মেমব্রেনের হাইড্রোজেন বন্ধন জটিলতার মাত্রা বেশি হওয়ার কারণে, HPC/PAA মেমব্রেনের সংকট pH মান HEC/PAA মেমব্রেনের চেয়ে বেশি। লবণ-মুক্ত দ্রবণে, HEC/PAA, MC/PAA এবং HPC/PAA দ্বারা গঠিত জটিল যৌগগুলোর সংকট pH মান ছিল যথাক্রমে প্রায় ২.৯, ৩.২ এবং ৩.৭। HPC/PAA-এর সংকটপূর্ণ pH, HEC/PAA-এর চেয়ে বেশি, যা LBL ঝিল্লির সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ।

CE/ PAA মেমব্রেনের জল শোষণ ক্ষমতা:

সিইএস (CES) হাইড্রোক্সিল গ্রুপে সমৃদ্ধ হওয়ায় এর জল শোষণ এবং জল ধারণ ক্ষমতা ভালো। এইচইসি/পিএএ (HEC/PAA) মেমব্রেনকে উদাহরণ হিসেবে নিয়ে, পরিবেশ থেকে হাইড্রোজেন-বন্ধিত সিই/পিএএ (CE/PAA) মেমব্রেনের জল শোষণের ক্ষমতা নিয়ে গবেষণা করা হয়েছিল। স্পেকট্রাল ইন্টারফেরোমেট্রি দ্বারা বৈশিষ্ট্য নিরূপণ করে দেখা গেছে যে, ফিল্মটি জল শোষণ করার সাথে সাথে এর পুরুত্ব বৃদ্ধি পায়। জল শোষণ সাম্যাবস্থা অর্জনের জন্য এটিকে ২৫° সেলসিয়াস তাপমাত্রায় ২৪ ঘণ্টার জন্য একটি নিয়ন্ত্রণযোগ্য আর্দ্রতার পরিবেশে রাখা হয়েছিল। আর্দ্রতা সম্পূর্ণরূপে দূর করার জন্য ফিল্মগুলোকে একটি ভ্যাকুয়াম ওভেনে (৪০° সেলসিয়াস) ২৪ ঘণ্টা ধরে শুকানো হয়েছিল।

আর্দ্রতা বাড়ার সাথে সাথে ফিল্মটি পুরু হয়। ৩০%-৫০% এর কম আর্দ্রতার অঞ্চলে, পুরুত্ব বৃদ্ধি তুলনামূলকভাবে ধীর। যখন আর্দ্রতা ৫০% অতিক্রম করে, তখন পুরুত্ব দ্রুত বৃদ্ধি পায়। হাইড্রোজেন-বন্ধনযুক্ত PVPON/PAA মেমব্রেনের তুলনায়, HEC/PAA মেমব্রেন পরিবেশ থেকে বেশি জল শোষণ করতে পারে। ৭০% আপেক্ষিক আর্দ্রতার (২৫°C) অবস্থায়, PVPON/PAA ফিল্মের পুরুত্ব বৃদ্ধির পরিসর প্রায় ৪%, যেখানে HEC/PAA ফিল্মের ক্ষেত্রে তা প্রায় ১৮% পর্যন্ত হয়। ফলাফল থেকে দেখা যায় যে, যদিও HEC/PAA সিস্টেমে একটি নির্দিষ্ট পরিমাণ OH গ্রুপ হাইড্রোজেন বন্ধন গঠনে অংশ নেয়, তবুও পরিবেশের জলের সাথে মিথস্ক্রিয়া করার মতো যথেষ্ট সংখ্যক OH গ্রুপ থেকে যায়। অতএব, HEC/PAA সিস্টেমের জল শোষণ ক্ষমতা ভালো।

উপসংহারে

(1) CE এবং PAA এর সর্বোচ্চ হাইড্রোজেন বন্ধন মাত্রা সহ HPC/PAA সিস্টেমটির বৃদ্ধি এদের মধ্যে সবচেয়ে দ্রুত, MC/PAA মাঝামাঝি এবং HEC/PAA সবচেয়ে কম।

(2) HEC/PAA ফিল্মটি প্রস্তুতি প্রক্রিয়া জুড়ে একটি রৈখিক বৃদ্ধি মোড দেখিয়েছে, যখন অন্য দুটি ফিল্ম MC/PAA এবং HPC/PAA প্রথম কয়েকটি চক্রে সূচকীয় বৃদ্ধি দেখিয়েছে এবং তারপরে একটি রৈখিক বৃদ্ধি মোডে রূপান্তরিত হয়েছে।

(3) CE/PAA ফিল্মের বৃদ্ধি দ্রবণের pH এর উপর প্রবলভাবে নির্ভরশীল। যখন দ্রবণের pH তার সংকট বিন্দুর চেয়ে বেশি হয়, তখন PAA এবং CE একটি ফিল্মে একত্রিত হতে পারে না। একত্রিত CE/PAA ঝিল্লি উচ্চ pH দ্রবণে দ্রবণীয় ছিল।

(4) যেহেতু CE/PAA ফিল্মটি OH এবং COOH সমৃদ্ধ, তাই তাপ প্রক্রিয়াকরণ এটিকে ক্রস-লিঙ্কড করে তোলে। ক্রস-লিঙ্কড CE/PAA মেমব্রেনটির স্থিতিশীলতা ভালো এবং এটি উচ্চ pH দ্রবণে অদ্রবণীয়।

(5) CE/PAA ফিল্মের পরিবেশে জল শোষণের ভালো ক্ষমতা রয়েছে।