Методическая статья

Подготовка Свет проблематики мембран на комбинированным покрытием Прививка и Postmodification процесса

DOI:

10.3791/51680

⸱

21 марта 2014 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Процедуру полимеризации плазменно-индуцированной описан поверхностно-инициатором полимеризации на полимерных мембран. Далее postmodification привитого полимера с фотохромных веществ представлена ​​с протоколом проведения измерений проницаемости легких проблематику мембран.

Аннотация

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

Чтобы изменить поверхностное натяжение коммерческих доступных дорожек краями полимерных мембран, процедура поверхностно-инициатором полимеризации представлены. Полимеризация с поверхности мембраны индуцируется плазменной обработки мембраны с последующим взаимодействием поверхности мембраны с метанольным раствором 2-гидроксиэтил метакрилата (НЕМА). Особое внимание уделяется параметров процесса для плазменной обработки до полимеризации на поверхности. Например, влияние плазменной обработки на различных типах мембран (например, полиэфирных, поликарбонат, поливинилиденфторид) изучается. Кроме того, время зависит от стабильности поверхностных привитым мембран показано контактных угловых измерений. Когда прививки поли (2-гидроксиэтил метакрилат) (РНЕМА) Таким образом, поверхность может быть дополнительно модифицированы путем этерификации спиртовой группы полимера с функцией карбоновой кислоты желаемого вещества.Таким образом, эти реакции могут быть использованы для функционализации поверхности мембраны. Например, поверхностное натяжение мембраны могут быть изменены или желаемая функциональность как представленного светового отклика может быть вставлен. Это показано с помощью реакции РНЕМА с карбоновой кислотой функционализированного spirobenzopyran блока, что приводит к легкому аспекты мембраны. Выбор растворителя играет важную роль на стадии postmodification и обсуждается более подробно в этой статье. Измерения проницаемости таких функционализированных мембран проводили с использованием ячейки Франца с внешним источником света. При изменении длины волны света от видимого к УФ-диапазона, изменение проницаемости водных растворов кофеина не наблюдается.

Введение

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

Плазменной модификации материалов стало важным процессом во многих отраслях промышленности. Очистка поверхностей и функционализации поверхности без изменения объемной свойство материала сделал плазменная обработка важным процессом в поверхностных науки 1-8.

Плазменные лечение полимеров приводит к гомолитического разрыва связи. Это приводит к окантовкой полимерного материала и к образованию радикалов богатых поверхностей. С помощью плазмы, содержащей молекулы кислорода, поверхность становится богатой кислородом и, следовательно, более гидрофильную 9-11. Однако гидрофильность поверхности не является стабильным в течение долгого времени 12. В целях повышения долгосрочной стабильности, плазма обработанная поверхность может быть химически модифицированы после или в процессе плазменного 13-15. Эта обработка обычно выполняется путем добавления активных форм мономерных в газовую фазу в процессе плазменного; эти мономеры затем полимеризуетсяот созданных радикалов поверхности полимера. Если химическая обработка выполняется с энергонезависимой мономера, полимер прививки должно происходить после плазменной модификации. Для того чтобы выполнить контролируемую прививки после того, как радикалы образуются на поверхности, установка плазмы описывается, что позволяет плазме инициированные поверхностно-индуцированной полимеризации с поверхности в растворе в контролируемых условиях 12,16.

Презентация направлена ​​на модификации трековых краями полимерных мембран 12,17. Путем изменения поверхностного натяжения этих мембран, скорость проницаемости можно варьировать 12. Этот чистый и быстрый процесс позволяет создавать очень тонких слоев (<5 нм), которые покрывают всю поверхность мембраны без изменения объемной свойства полимерной мембраны. В связи с кантом в процессе плазменного, диаметр пор трековых мембран краями увеличить слегка 12. Окантовка ставка dependiнг на полимера и имеет линейное поведение.

При использовании мономеров с реакционноспособных функциональных групп, привитые полимеры могут быть дополнительно функционализированный. Это свидетельствует о postmodification РНЕМА-привитые мембраны с карбоновой кислотой функционализированного спиропирана. Это приводит к фотохромных поверхности, так как спиропиран известно превратить в мероцианиновых видов при облучении УФ-светом. Спиропиран форма может быть восстановлена ​​путем облучения мероцианиновых форму с видимым светом (рис. 1) 18,19. Так как форма мероцианин более полярным, чем в состоянии спиропирана, поверхностное натяжение покрытия могут быть вызваны с легкой 20. Изменение поверхностного натяжения влияет на устойчивость проницаемость мембраны в направлении водных растворов. Установка, как для проведения испытаний проницаемости этих легких проблематику мембран будет показано и значительное изменение сопротивления проницаемости (уменьшение Iн сопротивление проницаемость на 97%) свидетельствует. Такая мембрана может быть интегрирован в установке доставки лекарственного средства или в системах смарт зондирования.

figure-introduction-1
Рисунок 1. Фотоизомеризации spirobenzopyran соединения 1.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Плазма-инициированной полимеризации

  1. Подготовка раствора мономера.
    1. Растворить HEMA (100 мл; 0,718 моль) в 200 мл воды и промыть 3 раза гексаном (100 мл) в делительной воронке. Насыщение водной фазы хлористым натрием и экстрагируют HEMA диэтиловым эфиром (50 мл). Органическую фазу сушат над MgSO 4 и растворитель удаляют в вакууме (100 мбар, 40 ° C). Отфильтровываю ГЭМА при пониженном давлении (15 мбар; 99 ° С).
    2. Приготовьте 0,62 М метанольного раствора ингибитора свободных НЕМА, полученного в разделе 1.1.1. Налейте 30 мл раствора в один колбу и устранить кислород барботированием Ar через раствор в течение 1 часа.
  2. Полимеризации поверхностно-индуцированной.
    1. Позиция две поликарбонатные мембраны рядом друг с другом в плазменную камеру (рис. 2). Поместите блестящей стороной мембраны направлена ​​к газовой фазе.
    2. Подключите плазменной камеры ахкайф вакуум (20 мбар) в течение 5 мин. Закройте клапан в вакууме и открыть другой клапан, который соединен с аргона и кислорода и очистить камеру с этой смеси в течение 2 ч с 15 SCCM аргона и 2,5 SCCM кислорода.
    3. Инициирование плазмы и уменьшить мощность с требуемой мощностью (для поликарбонатную мембрану: 12 Вт) и лечения мембраны в течение 4 мин с плазмой. Подключение раствор мономера с камерой, открыв соответствующий клапан. Выключите плазмы и эвакуировать в камеру.
    4. Подключите раствора мономера с камерой, открыв соответствующий вентиль и налить раствор в камере. Убедитесь, что мембраны покрыты раствору мономера. Открыть кран, соединенный с аргоном и хранить реакционной смеси в течение 12 ч при 20 ° С (комнатная кондиционером).
    5. Удаление раствора мономера. Промывка мембран с метанолом в ультразвуковой ванне в течение 5 мин. Повторить промывку водой.
    6. Высушите мембрану ввакууме над молекулярными ситами в течение 2 часов.

2. Postmodification покрытых мембранами

  1. Готовят раствор spirobenzopyran 1 (рис. 1) (100 мг; 0,27 ммоль), N, N-дициклогексилкарбодиимид (DCC) (55 мг; 0,27 ммоль) и диметиламинопиридин (DMAP) (33 мг, 0,27 ммоль) в трет-butylmetylether (МТБЭ) (12 мл).
  2. Поместите защитную мешалки и защитную сетку в круглодонную колбу. Высушите флягу и затопить колбу аргоном.
  3. Налейте раствор в колбу с последующим мембраны с покрытием.
  4. Перемешать осторожно при комнатной температуре в течение 12 часов.
  5. Удаление раствора и промыть мембраны с трет-butylmetylether в ультразвуковой ванне в течение 5 мин. Повторите процедуру промывки этанолом и водой.
  6. Сушат мембрану в вакууме над молекулярными ситами в течение 2 часов.

3. Поверхностное натяжение Измерения

    Устранение мембрану со стандартной ленты на металлическую уплотнительным кольцом. Поместите каплю NanoPure воды (3,3 мкл) на той части поверхности мембраны, которая не контактирует с уплотнительным кольцом. Измерить угол контакта (CA) при 5 различных точках мембраны.
  1. Для проверки долгосрочную стабильность образцов, измерить углы контактные на трех различных точках мембран после 0, 1, 2, 3, 7, 14, и 21 дней.

4. Проницаемости Испытания фотохромные мембран

  1. Заполните рецептора камеру диффузионной ячейки Франца с водой (12 мл).
  2. Закрепите мембрану в диффузионной ячейке Франца. Убедитесь, что мембрана находится в контакте с водой камеры рецептора. Заполните доноров камеру (камеры на верхней части мембраны) с водным раствором кофеина (20 мм; 3,0 мл). Облучать мембрану из верхней части донорной камере с белого света (рис. 3). Сбор образцов (200 мкл) из рецепторной клетки; FOг трек краями поликарбонатные мембраны с диаметром пор 200 нм, собрать образцы каждые 10 мин.
  3. Повторите эксперимент, описанный в пункте 4.2. но облучать мембрану с УФ-светом (366 нм, 80 Вт / м 2) при испытании на всей проницаемости.
  4. Определение кофеина концентраций проб.
    1. Участок калибровочной кривой с 15 различных концентраций кофеина (от 0,05 мг / мл и 1,5 мМ / л) с использованием UV / Vis спектрометр. Калибровка при 293 нм.
    2. Определить концентрацию каждого из собранных образцов с использованием калибровочной кривой.
    3. Постройте определенной концентрации против. время из собранных образцов. Сделайте линейного приближения через точки и определить Δc со склона.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Скорость травления может следовать весом мембраны после различных периодов времени. Как можно видеть из фиг.4, скорость травления следует за полиэфира, поливинилиденфторида, и поликарбонатные мембраны линейную скорость травления, что можно определить по наклону линейной корреляции времени травления по сравнению с потерей массы. Как показано на рисунке 4, поликарбонатные мембраны Самая низкая скорость травления всех трех полимерных мембран. Одним из последствий травления являетс...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Процесс плазменной производит фиолетовый газ, которое вызвано ионизованного аргона. Оранжевый цвет будет указывать на наличие нежелательного азота от утечки. Процесс плазмы не только образованием радикалов на поверхности, но и разъедает оболочку 7,12. Слишком много травление может значительно изменить диаметр пор, который будет влиять на проницаемость мембраны. Контролируемых условиях реакции, представленной установки позволит повысить воспроизводимость процесса прививки плазмы инициативе. Тем не менее, точно...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Благодарности

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

Работа выполнена при финансовой поддержке Швейцарского национального научного фонда (NRP 62 - Умные материалов). Также признал является поддержка Б. Hanselmann, К. Кель, У. Шютц и Б. Летхольд.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
2-Гидроксиэтилметакрилат, 97%Сигма-Олдрич128635
Гексан 99%Сульфат магния Biosolve
(MgSO4, безводный)Sigma-AldrichM7506
Метанол, 99% Sigma-Aldrich14262высушенный на молекулярных ситах
N,N-дицилкогексилкарбодиимид, 99%Sigma-AldrichD8002
Диметиламинопиридин, 99%Sigma-Aldrich107700
Трет-бутилметиловый эфир, 98%Fluka306975
Поликарбонатная мембранаWhatmanНанопоровое травление гусениц (TE) (1.0 μ m, 0,2 μ m, 0,1 μ м, 50 нм, 30 нм и диаметр пор 15 нм; Диаметр мембраны 47 мм или 25 мм)
Кофеин (реагент плюс)Sigma-AldrichC0750
Диффузионная ячейка Франца (12 мл)SES-Analysesysteme6C01001515 мм без ячества, 12 мл Объем рецептора, плоский грунт, прозрачное стекло, стирбар и зажим
УФ-лампаУФ-излучение (366 нм, 15 Вт/м< 2>2)
Лампабелого светаОблучение белым светом (лампочка 500 Вт)
УФ/ВИД спектрофотометрVarian 50Bio/50MPR
Полиэфирные мембраныSterlitechPET0225100Полиэфирные мембранные фильтры, 0,2 μ м диаметр пор, диаметр 25 мм
Поливинилиденфторидные мембраныMilliporePVDF Мембраны Durapore (0,22 μ диаметр пор m; Диаметр мембраны 47 мм)
Аргон (99.9995%)Alphagaz
Dressler Cesar RF Power GeneratorУстановка плазменной камеры
MKS Multi Gas Controller 647CНастройка плазменной камеры
MKS Контроллеры массового расходаНастройка плазменной камеры
Vacuubrand RE 2.5 Пластинчато-роторный вакуумный насосПлазменная камера настройка
прибора для измерения контактного углаKrü SSG10
ВесыMettler ToledoAB204-S и Mettler ME30

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи