Ym maes deunyddiau polymer, mae polymerau nad ydynt yn-dŵr ïonig{-hydawdd, oherwydd eu priodweddau ffisegol a chemegol unigryw, mewn sefyllfa arwyddocaol mewn nifer o ddiwydiannau, gan gynnwys fferyllol, bwyd, a chemegau dyddiol. Mae polyvinylpyrrolidone (PVP), enghraifft flaenllaw, wedi'i datblygu'n dri chategori bras: homopolymerau, copolymerau, a pholymerau croes-gysylltiedig. Fodd bynnag, mae hydoddedd dŵr PVP llinellol yn ei gwneud hi'n anodd ailgylchu mewn rhai cymwysiadau, a gall gweddillion effeithio'n hawdd ar flas y cynnyrch. Cynhaliom ymchwil fanwl ar PVPP, gan archwilio'n systematig effaith paramedrau proses ar berfformiad cynnyrch trwy ddau lwybr paratoi: polymerization crogiant a pholymereiddio blodyn yr ŷd. Mae'r ymchwil hwn yn darparu cefnogaeth ddamcaniaethol allweddol a chyfeiriadau technegol ar gyfer cymhwyso PVPP yn ddiwydiannol.
1. Dull Paratoi PVPP ac Optimeiddio Proses
1.1 Polymerization Ataliad
Mae polymerization ataliad yn ddull cyffredin ar gyfer paratoi polymerau gronynnog a phowdr. Mae ei egwyddor graidd yn cynnwys atal monomerau N-vinylpyrrolidone (NVP), wedi'u hydoddi mewn cychwynnydd, mewn cyfrwng dyfrllyd fel defnynnau dan warchodaeth gwasgarydd. Yna mae croesgysylltydd yn ffurfio rhwydwaith tri dimensiwn. Defnyddiodd yr arbrawf hwn divinylbenzene (DVB) neu N,N'-methylenebisacrylamide (NMBA) fel y croesgysylltydd, azobisisobutyronitrile (AIBN) fel y cychwynnwr, polyvinylpyrrolidone K30 (PVP K30) fel y gwasgarydd, a hydoddiannau sodiwm hydrogen ffosffad dyfrllyd.
Datgelodd arbrofion -ffactor sengl fod paramedrau proses yn dylanwadu'n sylweddol ar gynnyrch PVPP, priodweddau chwyddo, a pherfformiad arsugniad. O ran tymheredd, 70 gradd yw'r tymheredd adwaith gorau posibl, lle mae cyfradd dadelfennu cychwynnwr a chyfradd polymerization monomer yn cyrraedd cydbwysedd, gan arwain at gynnyrch o 96.42%. Mae tymheredd rhy isel (ee, 40 gradd ) yn arwain at weithgaredd cychwynnol annigonol, gan leihau'r cynnyrch i lai na 88%. Mae tymheredd rhy uchel (ee, 90 gradd ) yn arwain at ddadelfennu cychwynwyr cyflym a therfynu radical rhydd cynamserol, gan arwain at gynnyrch o ddim ond 77.89%. O ran dos cychwynnwr, pan fo AIBN yn cyfrif am 1% o fàs NVP, mae'r cynnyrch yn cyflawni'r perfformiad cyffredinol gorau posibl, gyda chynnyrch o 94.65% a chynhwysedd arsugniad asid salicylic o 135 mg / g. Mae dos rhy isel (0.4%) yn arwain at bolymeriad anghyflawn oherwydd radicalau rhydd annigonol, tra bod dos gormodol (2.0%) yn cynyddu'r tebygolrwydd o derfynu cadwyn ac, yn ei dro, yn lleihau perfformiad arsugniad.
Mae faint o crosslinker a ddefnyddir yn pennu strwythur ac eiddo'r cynnyrch yn uniongyrchol. Pan gynyddodd y dos DVB o 0.5% i 10%, gostyngodd cyfaint y gel yn sydyn o 47 mL / g i 6.4 mL / g. Mae hyn oherwydd y pwyntiau croesgysylltu cynyddol sy'n cywasgu'r gofod rhwydwaith moleciwlaidd. Ar yr un pryd, gostyngodd y gallu arsugniad tannin o 80 mg / g i 61 mg / g, gan nodi'r angen i gydbwyso'r gallu i chwyddo ac arsugniad trwy addasu'r dos croesgysylltu. Penderfynwyd mai'r broses polymerization ataliad gorau posibl oedd: dos toddydd o 200% o'r monomer, dos cychwynnwr o 1%, dos gwasgarwr o 1%, dos croesgysylltu o 2% -8%, a thymheredd adwaith o 70 gradd. O dan yr amodau hyn, roedd y cynnyrch PVPP yn fwy na 90%, a chyrhaeddodd y galluoedd arsugniad ar gyfer tannin ac asid salicylic 80 mg / g a 169 mg / g, yn y drefn honno.
Popcorn polymerization is a unique heterogeneous free radical polymerization technique that requires no initiator or dispersant. Instead, bifunctional intermediates are generated in situ using a catalyst or an external crosslinker, resulting in a highly crosslinked product. In this experiment, NMBA was used as the crosslinker and sodium hydroxide as the catalyst (to prevent monomer hydrolysis). A high initial monomer aqueous solution (>cyflogwyd 85%) i gwtogi'r cyfnod sefydlu adwaith.
Dangosodd canlyniadau optimeiddio prosesau fod perfformiad PVPP ar ei orau ar dymheredd adwaith o 80-100 gradd . Ar 80 gradd, roedd yr amser ymddangosiad gronynnau oddeutu 1 awr, gan ostwng i 0.17 awr ar 100 gradd. Fodd bynnag, gall tymheredd uchel arwain yn hawdd at hydrolysis monomer. Pan oedd y dos NMBA crosslinker yn 2% -4% o'r NVP, cyrhaeddodd y cynnyrch 77.9%, gyda chynhwysedd arsugniad o 103 mg / g tannin a 194 mg / g asid salicylic, yn y drefn honno. O'i gymharu â'r dull polymerization atal dros dro, mae gan gynnyrch y dull polymerization popcorn strwythur mandyllog rhydd, arwynebedd arwyneb penodol mwy, a pherfformiad arsugniad gwell, ond mae'r cynnyrch yn isel (70% -80%), yn bennaf oherwydd bod y lefel uchel o groesgysylltu yn rhwystro trylediad monomerau ac mae rhai canolfannau gweithredol wedi'u hymgorffori yn strwythur y rhwydwaith.
2. Nodweddion Cynnyrch PVPP a Dadansoddi Perfformiad
2.1 Nodweddu Strwythurol
Nodweddwyd strwythur PVPP yn systematig gan ddefnyddio sbectrosgopeg isgoch (IR), calorimetreg sganio gwahaniaethol (DSC), a microsgopeg electron sganio (SEM). Datgelodd dadansoddiad IR absenoldeb uchafbwynt amsugno bond dwbl C=C ar 1629 cm⁻¹, gan gadarnhau polymerization cyflawn o NVP. Ymddangosodd uchafbwynt nodweddiadol o'r cylch pyrrolidone ar 1286 cm⁻¹, gan gadarnhau'r strwythur PVPP. Ar ôl arsugniad asid salicylic, symudodd brig dirgryniad ymestyn C=O o 1677 cm⁻¹ i 1660 cm⁻¹, gan nodi bondio hydrogen.
Datgelodd dadansoddiad DSC fod tymheredd trawsnewid gwydr (Tg) PVP llinol yn 175 gradd, tra bod tymheredd PVPP yn sylweddol uwch. Mewn polymerization ataliad, pan fo'r dos DVB yn 2%, mae'r Tg o PVPP yn 196 gradd. Pan gynyddir y dos i 10%, mae'r Tg yn fwy na 200 gradd. Mae gan PVPP a baratowyd gan y dull polymerization popcorn Tg o tua 190-195 gradd. Priodolir y ffenomen hon i'r strwythur croesgysylltu sy'n rhwystro symudiad segmentau moleciwlaidd. Mae'r Tg yn cynyddu'n sylweddol gyda dos croesgysylltu cynyddol, gan ddangos bod gan y cynnyrch sefydlogrwydd thermol sylweddol well na PVP llinol.
Datgelodd arsylwadau SEM fod PVPP a baratowyd gan bolymereiddio ataliad yn sfferau trwchus (ar 6% dos DVB), tra bod gan y cynnyrch a gynhyrchir gan y dull polymerization popcorn strwythur llac, mandyllog sy'n cynnwys nifer fawr o ronynnau cynradd wedi'u pentyrru. Y gwahaniaeth strwythurol hwn yw'r rheswm allweddol dros berfformiad arsugniad uwch y dull popcorn-mae'r arwynebedd arwyneb penodol mwy yn darparu mwy o safleoedd arsugniad ffisegol.
Mae perfformiad craidd PVPP yn gorwedd yn ei eiddo chwyddo ac arsugniad. Mae cyfaint gel y cynnyrch a gynhyrchir gan y dull polymerization ataliad yn amrywio o 5-50 mL / g, tra bod yr hyn a gynhyrchir gan y dull popcorn yn 5-8 mL / g. Mae gan y cyntaf allu chwyddo uwch ac mae'n addas ar gyfer cymwysiadau sy'n gofyn am briodweddau chwyddo uchel (fel dadelfyddion fferyllol). Mae'r olaf, oherwydd ei ddwysedd croesgysylltu uchel, yn dangos gallu arsugniad chwydd isel ond uchel, gan ei gwneud yn fwy addas fel arsugniad.
Mae PVPP a baratowyd gan y dull popcorn yn arddangos perfformiad arsugniad rhagorol, gan gyflawni galluoedd arsugniad o 103 mg / g ar gyfer tannin a 194 mg / g ar gyfer asid salicylic, yn y drefn honno, sy'n cynrychioli cynnydd o 28.75% a 14.79% o'i gymharu â'r dull polymerization ataliad. Mae gan y fantais hon botensial mawr i'w chymhwyso mewn meysydd fel eglurhad cwrw a thrin dŵr gwastraff.
Yn ystod storio cwrw, mae polyffenolau (fel tannin ac anthocyaninau) yn ffurfio cyfadeiladau â phroteinau yn hawdd, gan achosi cymylogrwydd anfiotig ac effeithio ar ymddangosiad a blas y cynnyrch. Gall y grwpiau ffthalamid mewn moleciwlau PVPP ffurfio bondiau hydrogen gyda'r grwpiau hydroxyl o polyffenolau, gan ffurfio cyfadeiladau sefydlog y gellir eu tynnu'n hawdd trwy hidlo. Mae arbrofion wedi dangos y gall ychydig bach o PVPP egluro 200 ml o gwrw mewn dim ond 5 munud. Ar ôl golchi gyda dŵr poeth 50 gradd a dadliwio gyda hydoddiant 2% NaOH, gellir ailddefnyddio PVPP. Mae hyn yn lleihau costau ac yn osgoi problemau eglurwyr traddodiadol (fel bentonit a charbon wedi'i actifadu) a all adael amhureddau neu amsugno cyfansoddion blas.
Yn y diwydiant fferyllol, mae PVPP yn dangos cymwysiadau lluosog oherwydd ei fio-gydnawsedd rhagorol. Fel dadheintydd cyffuriau, gall ei briodweddau chwyddo dŵr gynhyrchu pwysau o fewn tabledi, gan hyrwyddo dadelfennu cyflym. Fel cludwr cyffuriau rhyddhau parhaus, gellir rheoli ei radd groesgysylltu yn fanwl gywir i reoli'r gyfradd rhyddhau cyffuriau yn union. Mae'r cyfadeilad PVPP a ffurfiwyd ag ïodin yn rhyddhau ïodin yn araf, gan leihau llid ac fe'i defnyddir yn helaeth mewn cymwysiadau fel diheintio clwyfau a phuro dŵr pwll nofio. Gellir defnyddio PVPP hefyd wrth baratoi bioddeunyddiau fel pilenni haemodialysis ac amnewidion hiwmor gwydrog, gan gefnogi datblygiadau mewn technoleg feddygol.
Mewn amaethyddiaeth, gellir defnyddio PVPP fel cyflyrydd pridd i wella cadw dŵr pridd. Yn y diwydiant cemegol dyddiol, mae ei briodweddau lleithio a-ffurfio-yn ei wneud yn gynwysydd o ansawdd uchel mewn colur. Mewn gwyddor deunyddiau, gellir defnyddio deunyddiau mandyllog sy'n seiliedig ar PVPP ar gyfer arsugniad llygryddion a chludwyr catalydd, gan gynnig rhagolygon cymhwyso eang.
Datgelodd yr astudiaeth hon yn systematig brosesau craidd a nodweddion perfformiad PVPP a baratowyd trwy ddulliau ataliad a pholymereiddio popcorn. Mae gan bolymerization ataliad gynnyrch uchel a maint gronynnau unffurf, tra bod polymerization popcorn yn sefyll allan am ei briodweddau arsugniad uwchraddol. Trwy optimeiddio paramedr proses a nodweddu strwythurol, eglurwyd y mecanweithiau a ddefnyddiwyd i egluro ffactorau allweddol megis dos croesgysylltu a thymheredd adwaith yn dylanwadu ar berfformiad PVPP, gan ddarparu sail dechnegol ar gyfer ei gynhyrchiad diwydiannol. Mae cymwysiadau posibl PVPP mewn meysydd fel eglurhad cwrw a sylweddau fferyllol nid yn unig yn goresgyn cyfyngiadau PVP llinol ond hefyd yn ehangu ffiniau cymhwyso polymerau nad ydynt yn ïonig, gan chwistrellu ysgogiad newydd i ddatblygiad diwydiannau cysylltiedig.