מאמר שיטה

הכנה של ממברנות אור תגובה על ידי הארכת משטח משולבת ותהליך Postmodification

DOI:

10.3791/51680

⸱

21 במרץ 2014

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Laboratory for Protection and Physiology, Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, 2Laboratory of Advanced Fibers, Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, 3Division of Neonatology, University Hospital Zurich

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הליך פילמור מושרה פלזמה מתואר לפילמור ביוזמת פני השטח על ממברנות פולימר. postmodification נוסף של הפולימר מורכב עם חומרי Photochromic מוצג בפרוטוקול של ביצוע מדידות חדירות של ממברנות אור מגיב.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

על מנת לשנות את המתח של ממברנות פולימר מסחריות זמינות קצוות מסלול השטח, הליך של פילמור ביוזמת פני השטח מוצג. פילמור מפני הקרום מושרה על ידי טיפול בפלזמה של הקרום, ואחריו מגיב פני הקרום עם פתרון methanolic של methacrylate 2-Hydroxyethyl (המה). תשומת לב מיוחדת ניתנת לפרמטרי התהליך לטיפול בפלזמה לפני פילמור על פני השטח. לדוגמא, ההשפעה של הפלזמה הטיפול בסוגים שונים של ממברנות (למשל פוליאסטר, פוליקרבונט, פלואוריד polyvinylidene) היא למדה. יתר על כן, את היציבות של הקרומים-מורכב המשטח תלוי הזמן מוצגת על ידי מדידות זווית מגע. כאשר השתלת פולי (מ2-Hydroxyethyl) (PHEMA) בדרך זו, את פני השטח יכול להיות שונה עוד יותר על ידי esterification של מחצית האלכוהול של הפולימר עם פונקצית חומצה קרבוקסילית של החומר הרצוי.תגובות אלו ולכן יכולות לשמש לfunctionalization של קרום פני השטח. לדוגמא, את המתח של קרום פני השטח יכול להיות שונה או הפונקציונליות רצויה כאור ההיענות הציגה יכולה להיות מוכנסת. זו באה לידי הביטוי על ידי מגיב PHEMA עם יחידת spirobenzopyran פונקציונליות החומצה קרבוקסילית אשר מובילה קרום אור מגיב. הבחירה של ממס משחקת תפקיד מרכזי בשלב postmodification ונדונה בפירוט רב יותר במאמר זה. מדידות החדירות של ממברנות פונקציונליות כגון מבוצעות באמצעות תא פרנץ עם מקור אור חיצוני. על ידי שינוי אורך הגל של האור מהגלוי לUV הטווח, שינוי של חדירות של פתרונות קפאין מימיים הוא ציין.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

שינוי פלזמה של חומרים הפך תהליך חשוב בתחומי תעשייה רבים. ניקוי של משטחים וfunctionalization של משטחים מבלי לשנות את הנכס בתפוצה רחבה של החומר הפך את הטיפול בפלזמה תהליך חיוני במדע שטח 1-8.

טיפול פלזמה של פולימרים התוצאה homolytic אג"ח מחשוף. זה מוביל לשולי של חומר פולימרים ולהיווצרות של משטחים עשירים רדיקליים. באמצעות פלזמה המכילה מולקולות חמצן, את פני השטח הופך להיות עשיר בחמצן ובכך יותר הידרופילי 9-11. עם זאת, hydrophilicity של המשטחים לא יציב לאורך זמן 12. על מנת לשפר את היציבות לטווח הארוך, את פני השטח הפלזמה שטופלה יכולים להיות שינוי כימי אחרי או במהלך תהליך הפלזמה 13-15. טיפול זה מבוצע בדרך כלל על ידי הוספת מיני מונומר תגובה לגז בשלב בתהליך הפלזמה; מונומרים אלה אז פלמרמהרדיקלים שנוצרו ממשטח הפולימרים. אם הטיפול הכימי מתבצע עם מונומר בלתי נדיף, השתלת הפולימר יש להיערך לאחר שינוי הפלזמה. על מנת לבצע השתלה נשלטה לאחר רדיקלים נוצרים על פני השטח, התקנת פלזמה מתוארת, המאפשרת פילמור מושרה פני השטח ביוזמת הפלזמה מהמשטח בפתרון בתנאים מבוקרים 12,16.

המצגת מתמקדת בשינוי של ממברנות פולימר קצוות מסלול 12,17. על ידי שינוי המתח של הקרומים האלה פני השטח, יכול להיות מגוון שיעור חדירות 12. תהליך נקי ומהיר זה מאפשר יצירת שכבות דקות מאוד (<ננומטר 5), אשר מכסות את כל פני השטח הקרום מבלי לשנות את הנכס בתפוצה רחבה של קרום הפולימרים. בשל שולי בתהליך הפלזמה, הקטרים ​​הנקבוביות של קרומי קצוות המסלול להגדיל מעט 12. השיעור שולי הוא dependiיש ng על הפולימר והתנהגות ליניארית.

בעת שימוש במונומרים עם קבוצות פונקציונליות תגובתי, הפולימרים המורכבים יכולים להיות פונקציונליות נוסף. זה מודגם על ידי postmodification של קרום מורכב PHEMA עם spiropyran פונקציונליות חומצה קרבוקסילית. התוצאה היא משטח Photochromic, מאז spiropyran ידוע להפוך למיני merocyanine כאשר מוקרנים עם UV-אור. טופס spiropyran שאפשר יהיה שוב על ידי הקרנת צורת merocyanine עם אור הנראה (איור 1) 18,19. מאז בצורת merocyanine היא יותר קוטבית מאשר מדינת spiropyran, המתח של ציפוי פני השטח יכול להיות מופעל על עם 20 אור. השינוי במתח פנים משפיע על התנגדות החדירות של הקרום כלפי תמיסות מימיות. הגדרת אופן ביצוע בדיקות חדירות של ממברנות אור מגיב אלה תוכלו לראות והשינוי המשמעותי בהתנגדות חדירות (להקטין iהתנגדות חדירות n ידי 97%) באה לידי ביטוי. כגון קרום יכול להיות משולב בתכנית התקנה של משלוח סמים או במערכות חישה חכמות.

figure-introduction-1
איור 1. Photoisomerization של מתחם spirobenzopyran 1.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. פילמור ביוזמת פלזמה

  1. הכנה של פתרון מונומר.
    1. ממיסים המה (100 מיליליטר; 0.718 mol) ב200 מיליליטר מים ולשטוף 3x עם הקסאן (100 מיליליטר) במשפך מפריד. להרוות את השלב המימית עם נתרן כלורי ולחלץ את המה עם אתר diethyl (50 מיליליטר). ייבש את השלב האורגני מעל 4 MgSO ולהסיר הממס בחלל הריק (mbar 100, 40 מעלות צלזיוס). לזקק את המה תחת לחץ מופחת (15 mbar; 99 מעלות צלזיוס).
    2. הכן פתרון methanolic 0.62 M של המה ללא מעכב המיוצרים בסעיף 1.1.1. יוצקים 30 מיליליטר של התמיסה לתוך בקבוק אחד צוואר ולחסל חמצן על ידי מבעבע Ar דרך הפתרון במשך שעה 1.
  2. פילמור מושרה פני השטח.
    1. עמדת שני קרומים פוליקרבונט אחד ליד שני לתוך תא הפלזמה (איור 2). הנח את הצד המבריק של הקרום והצביע לעבר שלב הגז.
    2. חברו לתא הפלזמה לאהואקום igh (20 mbar) במשך 5 דקות. סגור את השסתום לוואקום ולפתוח את השסתום האחר, הקשורה לארגון וגז חמצן ולטהר את החדר עם תערובת זו במשך שעה 2 עם 15 ארגון SCCM ו2.5 חמצן SCCM.
    3. ליזום את הפלזמה ולצמצם את הכוח לכח הרצוי (לקרום פוליקרבונט: W 12) ולטפל בממברנות לדקות 4 עם הפלזמה. חבר את פתרון מונומר עם החדר על ידי פתיחת השסתום המתאים. כבה את הפלזמה ולפנות את החדר.
    4. חבר את פתרון מונומר עם החדר על ידי פתיחת השסתום המתאים ויוצקים את התמיסה אל תוך החדר. ודא כי הקרומים מכוסים פתרון מונומר. פתח את השסתום מחובר לארגון ולאחסן את תערובת התגובה במשך שעה 12 ב 20 ° C (חדר ממוזג).
    5. הסר את פתרון מונומר. שטוף את הקרומים עם מתנול באמבטיה קולי למשך 5 דקות. חזור על תהליך השטיפה במים.
    6. ייבש את הקרום בהחלל ריק מעל מסננות מולקולריות לשעה 2.

2. Postmodification של ממברנות מצופים

  1. הכן פתרון של spirobenzopyran 1 (איור 1) (100 מ"ג; 0.27 מילימול), N, N-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) (55 מ"ג; 0.27 מילימול) וaminopyridine דימתיל (DMAP) (33 מ"ג, 0.27 מילימול) בטרט-butylmetylether (TBME) (12 מיליליטר).
  2. הנח סרגל stirrer הגנה ורשת הגנה לתוך בקבוק מסביב לתחתית. ייבש את הבקבוק ולהציף את הבקבוק עם ארגון.
  3. יוצקים את התמיסה לתוך הבקבוק, ואחריו את הממברנה המצופה.
  4. מערבבים בעדינות בטמפרטורת חדר למשך שעה 12.
  5. הסר את הפתרון ולשטוף את הממברנה עם טרט-butylmetylether באמבטיה קולי למשך 5 דקות. חזור על תהליך השטיפה עם אתנול ומים.
  6. ייבש את הקרום בחלל הריק מעל מסננות מולקולריות לשעה 2.

3. מדידות מתח פנים

  1. לתקן את הקרום עם קלטת סטנדרטית על O-טבעת מתכת. מקם טיפת מים nanopure (3.3 μl) בחלק זה של קרום פני השטח, שהוא לא במגע עם טבעת O-. מדוד את זווית המגע (CA) בשעה 5 נקודות שונות של הממברנה.
  2. לבדיקת היציבות לטווח הארוך של דוגמאות, למדוד זוויות המגע בשלוש נקודות שונות של הקרומים לאחר 0, 1, 2, 3, 7, 14, ו21 ימים.

4. בדיקות חדירות של ממברנות Photochromic

  1. למלא את תא קולטן של תא פרנץ דיפוזיה עם מים (12 מיליליטר).
  2. תקן את הקרום בתא דיפוזיה פרנץ. להבטיח כי הקרום נמצא במגע עם המים מתא קולטן. למלא את התא התורם (הקאמרית על גבי הקרום) עם תמיסה מימית קפאין (20 מ"מ; 3.0 מיליליטר). להקרין את הקרום מהחלק העליון של התא התורם עם האור לבן (איור 3). לאסוף דגימות (200 μl) מתא קולטן; עבורקרומי r קצוות מסלול פוליקרבונט עם נקבוביות בקוטר של 200 ננומטר, לאסוף דגימות כל 10 דקות.
  3. חזור על הניסוי כמתואר בשלב 4.2. אבל להקרין את הקרום עם UV-אור (366 ננומטר, 80 W / m 2) במהלך בדיקת חדירות כולו.
  4. קביעת ריכוזי הקפאין של הדגימות שנאספו.
    1. עלילה עקומה כיול עם 15 ריכוזים שונים קפאין (בין 0.05 מ"ג / מיליליטר ו1.5 מ"מ / L) באמצעות UV / Vis ספקטרומטר. לכייל ב293 ננומטר.
    2. קבע את הריכוז של כל אחד מדגימות שנאספו באמצעות עקומת הכיול.
    3. עלילה הריכוז נקבע לעומת. הזמן של הדגימות שנאספו. הפוך ליניארי כושר דרך הנקודות ולקבוע Δc מהמדרון.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

השיעור לחרוט יכול להיות מלווה במשקל הקרום אחרי תקופות שונות של זמן. כפי שניתן לראות מהתרשים 4, השיעור לחרוט כדלקמן לפוליאסטר, פלואוריד polyvinylidene, ופוליקרבונט קרומי שיעור לחרוט ליניארי, שניתן לקבוע מן המדרון של המתאם ליניארי של הזמן לחרוט לעומת הפסד המוני. כפי שניתן לראות בתרשים 4, קרומי פוליקרבונט להראות את השיעור לחרוט הנמוך ביותר מכל שלוש ממברנות הפולימר. אחת תוצאות של התחריט היא השינוי בקוטר נקבובית. הקוטר של הנקבוביות לאחר עליות ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

תהליך הפלזמה מייצר גז סגול, אשר נגרמת על ידי ארגון מיונן. צבע כתום מצביע על הנוכחות של חנקן לא רצוי מדליפה. תהליך הפלזמה אינו מהווה רק רדיקלים על פני השטח אלא גם חורט הקרום 7,12. יותר מדי תחריט יכול לשנות את הקוטר הנקבובית באופן משמעותי, אשר ישפיע על החדירות של הממברנה. תנאי התגובה המבוקר של ההגדרה הציגה לאפשר שיפור שחזור של תהליך ההשתלה ביוזמת הפלזמה. עם זאת, עמדתו של הקרומים בתא הפלזמה המדויקת עדיין יכולה להשפיע על הצפיפות של רדיקלים נוצרו על פני השטח בשל inhomogeneit...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

יש המחברים אין לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו נתמכה כלכלית על ידי הקרן השוויצרית הלאומי למדע (מפד"ל 62 - חומרים חכמים). כמו כן הודתה הוא התמיכה ב Hanselmann, ק Kehl, ע 'וב' שיץ Leuthold.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
2-הידרוקסיאתיל מתאקרילט, 97%סיגמא-אולדריץ'128635
הקסאן 99%Biosolve
מגנזיום סולפט (MgSO<תת>4, נטול מים)Sigma-AldrichM7506
מתנול, 99% סיגמא-אולדריץ'14262מיובש על מסננות מולקולריות
N,N-Dicylcohexylcarbodiimide, 99%סיגמא-אולדריץ'D8002
דימתיל אמינופירידין, 99%סיגמא-אולדריץ'107700
טרט-בוטילמתילאתר, 98%פלוקה306975
קרום פוליקרבונטווטמןמסלול ננופור חרוט (TE) (1.0 μ m, 0.2 μ m, 0.1 μ m, קוטר נקבוביות 50 ננומטר, 30 ננומטר ו-15 ננומטר; קוטר ממברנה 47 מ"מ או 25 מ"מ)
קפאין (מגיב פלוס)Sigma-AldrichC0750
תא דיפוזיה פרנץ (12 מ"ל)SES-Analysesysteme6C010015תא פרנץ 15 מ"מ לא מג'אכטי, נפח קולטן 12 מ"ל, קרקע שטוחה, זכוכית שקופה, מוט ערבוב ומהדק
קרינת UV של מנורתUV (366 ננומטר, 15 W/m2)
מנורתאור לבןהקרנת אור לבן (נורת 500 W)
ספקטרופוטומטר UV / VisVarian 50Bio / 50MPR
ממברנות פוליאסטרSterlitechPET0225100מסנני ממברנה פוליאסטר, 0.2 μ m קוטר נקבוביות, קוטר 25 מ"מ
ממברנות פלואוריד פוליווינילידןMilliporePVDF ממברנות Durapore (0.22 μ קוטר נקבוביות מ '; קוטר ממברנה 47 מ"מ)
ארגון (99.9995%)Alphagaz
Dressler Cesar RF Power Generatorהגדרת תא פלזמה
MKS Multi Gas Controller 647Cהגדרת תא פלזמה
MKS בקריהגדרת תא פלזמה
Vacuubrand RE 2.5 משאבתתא פלזמה התקנה
מכשיר מדידת זווית מגעKrü ssG10
מאזן ביןמטלר טולדוAB204-S ומטלר ME30
זרימת מסה ואקום שבשבת סיבובית

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. d'Agostino, R. Basic Approaches to Plasma Production and Control. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. (2008).
  2. Liston, E. M., Martinu, L., Wertheimer, M. R. Plasma surface modification of polymers for improved adhesion: a critical review. J. Adh. Sci. Technol. 7 (10), 1091-1127 (1993).
  3. Siow, K. S., Britcher, L., Kumar, S., Griesser, H. J. Plasma Methods for the Generation of Chemically Reactive Surfaces for Biomolecule Immobilization and Cell Colonization - A Review. Process. Polymers. 3 (6-7), 392-418 (2006).
  4. Hossain, M. M., Hegemann, D., Herrmann, A. S., Chabrecek, P. Contact angle determination on plasma-treated poly(ethylene terephthalate) fabrics and foils. Appl. Polymer Sci. 102 (2), 1452-1458 (2006).
  5. Guimond, S., Hanselmann, B., Amberg, M., Hegemann, D. Plasma functionalization of textiles: Specifics and possibilities. Pure Appl. Chem. 82 (6), 1239-1245 (2010).
  6. Lymberopoulos, D. P., Economou, D. J. Modeling and simulation of glow discharge plasma reactors. Journal of Vacuum Sci. Technol. A Vacuum Surf. Films. 12 (4), 1229-1236 (1994).
  7. Hegemann, D., Brunner, H., Oehr, C. Plasma treatment of polymers for surface and adhesion improvement. Nuclear Instr. Methods Phys. Res. B Interact. Atoms. 208 (0), 281-286 (2003).
  8. Øiseth, S. K., Krozer, A., Kasemo, B., Lausmaa, J. Surface modification of spin-coated high-density polyethylene films by argon and oxygen glow discharge plasma treatments. Appl. Surf. Sci. 202 (1-2), 92-103 (2002).
  9. Choi, W. -K., Koh, S. -K., Jung, H. -J. Surface chemical reaction between polycarbonate and kilo-electron-volt energy Ar[sup + ] ion in oxygen environment. J. Vacuum Sci. Technol. A Vacuum Surf. Films. 14 (4), 2366-2371 (1996).
  10. Kitova, S., Minchev, M., Danev, G. RF plasma treatment of polycarbonate substrates. Optoelectron. Adv. Mater. 7 (5), 2607-2612 (2005).
  11. Friedrich, J. F., Mix, R., Schulze, R. D., Meyer-Plath, A., Joshi, R., Wettmarshausen, S. New plasma techniques for polymer surface modification with monotype functional groups. Plasma Process. Polymers. 5 (5), 407-423 (2008).
  12. Baumann, L., et al. Tuning the resistance of polycarbonate membranes by plasma-induced graft surface modification. Appl. Surf. Sci. 268, 450-457 (2013).
  13. Hegemann, D., Hossain, M. M., Balazs, D. J. Nanostructured plasma coatings to obtain multifunctional textile surfaces. Prog. Org. Coatings. 58 (2-3), 237-240 (2007).
  14. Gengenbach, T., Vasic, Z., Li, S., Chatelier, R., Griesser, H. Contributions of restructuring and oxidation to the aging of the surface of plasma polymers containing heteroatoms. Plasmas Polymers. 2 (2), 91-114 (1997).
  15. Gengenbach, T. R., Chatelier, R. C., Griesser, H. J. Characterization of the Ageing of Plasma-deposited Polymer Films: Global Analysis of X-ray Photoelectron Spectroscopy Data. Interface Anal. 24 (4), 271-281 (1996).
  16. Hirotsu, T., Nakajima, S. Water ethanol permseparation by pervaporation throught the plasma graft copolymeric membranes of acrylic acid and acrylamide. Appl. Polymer Sci. 36 (1), 177-189 (1988).
  17. Baumann, L., de Courten, D., Wolf, M., Rossi, R. M., Scherer, L. J. Light-Responsive Caffeine Transfer through Porous Polycarbonate. Appl. Mater. Interf. 5 (13), 5894-5897 (2013).
  18. Minkin, V. I. Photo-, thermo-, solvato-, and electrochromic spiroheterocyclic compounds. Chem. Rev. 104 (5), 2751-2776 (2004).
  19. Berkovic, G., Krongauz, V., Weiss, V. Spiropyrans and spirooxazines for memories and switches. Chem. Rev. 100 (5), 1741-1753 (2000).
  20. Vlassiouk, I., Park, C. -D., Vail, S. A., Gust, D., Smirnov, S. Control of Nanopore Wetting by a Photochromic Spiropyran: A Light-Controlled Valve and Electrical Switch. Lett. 6 (5), 1013-1017 (2006).
  21. Baumann, L., et al. Development of light-responsive porous polycarbonate membranes for controlled caffeine delivery. RSC Adv. 3 (45), 23317-23326 (2013).
  22. Nicoletta, F. P., Cupelli, D., Formoso, P., De Filpo, G., Colella, V., Gugliuzza, A. Light Responsive Polymer Membranes: A Review. Membranes. 2 (1), 134-197 (2012).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

UV

מאמרים קשורים