Utarbeidelse av Light-responsive Membraner av en kombinert Surface Negl og Postmodification Process

Summary

En plasma-indusert polymerisering fremgangsmåte er beskrevet for overflate-initierte polymerisasjonen på polymermembraner. Videre postmodification av podet polymer med fargeskiftende stoffer er presentert med en protokoll for å drive permeabilitetsmålinger av lys-responsive membraner.

Abstract

For å modifisere overflatespenningen av kommersielle tilgjengelige spor kanter polymermembraner, er en fremgangsmåte for overflate-initiert polymerisasjon presentert. Polymeriseringen fra membranoverflaten induseres ved plasmabehandling av membranen, etterfulgt av omsetning av membranoverflaten med en metanolisk oppløsning av 2-hydroksyetyl-metakrylat (HEMA). Spesiell oppmerksomhet er gitt til de prosess-parametere for plasmabehandling forut for polymeriseringen på overflaten. For eksempel blir innflytelsen av plasma-behandling på forskjellige typer membraner (for eksempel polyester, polykarbonat, polyvinylidenfluorid) studert. Videre blir den tidsavhengige stabiliteten til overflate podet membraner vist av kontaktvinkel-målingene. Ved poding av poly (2-hydroksyetylmetakrylat) (PHEMA) på denne måten, kan overflaten bli ytterligere modifisert ved forestring av alkohol-delen av polymeren med en karboksyl-syre-funksjonen av det ønskede stoffet.Disse reaksjonene kan derfor brukes for funksjonalisering av membranoverflaten. For eksempel kan overflatespenningen i membranen endres eller en ønsket funksjonalitet som den presenterte lys-responsivitet kan settes inn. Dette er demonstrert ved omsetning PHEMA med en karboksylsyre funksjonalisert spirobenzopyran enhet som fører til en lys-følsom membran. Valget av løsemiddel spiller en stor rolle i postmodification trinn og er nærmere omtalt i denne artikkelen. Permeabiliteten målinger av slike funksjonalismembraner blir utført ved hjelp av et Franz celle med en ekstern lyskilde. Ved å endre bølgelengden til lyset fra det synlige til det UV-spekter, en endring av permeabiliteten av vandige løsninger koffein observeres.

Introduction

Plasma modifikasjon av materialer er blitt en viktig prosess i mange industrielle områder. Rengjøring av overflater og funksjonalisering av overflater uten å endre masse egenskapen av materialet har gjort plasmabehandlings en ​​essensiell prosess i overflatevitenskap ^1-8.

Plasma behandling av polymerer resulterer i homolytisk obligasjon cleavage. Dette fører til en kanting av polymermaterialet, og til dannelse av radikale rike overflater. Ved hjelp av plasma inneholdende oksygen molekyler, blir overflaten oksygenrike og dermed mer hydrofil ^9-11. Imidlertid er hydrofile av overflatene ikke er stabile over tid ^12. For å forbedre den langvarige stabilitet, kan plasmaet behandlede overflaten bli kjemisk modifisert etter eller under plasmaprosessen ^13-15. Denne behandling utføres vanligvis ved å tilsette et reaktivt monomer arter inn i gassfasen i løpet av plasmaprosess, og disse monomerer deretter polymeriserefra de opprettede radikaler i polymeroverflaten. Hvis den kjemiske behandling er utført med et ikke-flyktig monomer, har polymeren pode å finne sted etter at plasmaet modifikasjon. For å kunne utføre en styrt poding når radikalene er dannet på overflaten, blir en plasma oppsettet beskrevet, som tillater plasma-initiert overflate-indusert polymerisering fra overflaten i oppløsning under kontrollerte betingelser ^12,16.

Presentasjonen fokuserer på endring av spor kanter polymermembraner ^12,17. Ved å endre overflatespenningen av disse membraner, kan permeabiliteten frekvensen varieres ^12.. Denne ren og rask prosess tillater dannelsen av meget tynne lag (<5 nm), som dekker hele membranoverflaten uten å endre masse egenskapen til polymermembranen. På grunn av den kanting under plasmaprosessen, pore diameter av sporet kanter membraner øke svakt ^12.. Den kanter prisen er depending av polymeren, og har en lineær oppførsel.

Ved bruk av monomerer med reaktive funksjonelle grupper, kan de podede polymerer være ytterligere funksjonalisert. Dette er demonstrert ved postmodification av et PHEMA-podet membran med en karboksylsyre funksjonalisert spiropyran. Dette resulterer i en fargeskiftende overflate, siden spiropyran er kjent for å transformere til en merocyanine arter når de bestråles med UV-lys. Den spiropyran skjema kan gjenopprettes ved å bestråle merocyanine skjema med synlig lys (Figur 1) ^18,19. Siden merocyanine form er mer polare enn spiropyran tilstand, kan overflatespenningen av belegget bli utløst med lys ^20. Endringen i overflatespenning påvirker permeabiliteten motstand av membranen mot vandige oppløsninger. Oppsettet hvordan du utfører de permeabilitet tester av disse lys-responsive membraner vil bli vist og betydelig endring i permeabilitet motstand (avta in permeabilitet motstand ved 97%) er vist. Slik membran kan integreres i et stoff levering oppsett eller i smart sensing systemer.

Figur 1. Photoisomerization av spirobenzopyran forbindelse 1.

Protocol

En. Plasma-initiert polymerisering Klargjøring av monomer løsning. Oppløs HEMA (100 ml, 0,718 mol) i 200 ml vann og vask 3 ganger med heksan (100 ml) i en skilletrakt. Mett den vandige fase med natriumklorid og ekstraher HEMA med dietyleter (50 ml). Tørk den organiske fase i løpet MgSO 4 og fjerning av løsningsmidlet i vakuum (100 mbar, 40 ° C). Destillere HEMA under redusert trykk (15 mbar, 99 ° C). Forbered en 0,62 M metanolisk løsning av inhibitor-fri HEMA pr…

Representative Results

Den etsehastighet kan bli etterfulgt av veiing av membranen etter forskjellige tidsperioder. Som det kan ses fra figur 4, følger etsehastighet for polyester, polyvinylidenfluorid, og polykarbonatmembraner en lineær etsehastighet, som kan bestemmes fra helningen av det lineære korrelasjon av etse tiden versus massetap. Som vist i figur 4, polykarbonat-membraner viser den laveste etserate på alle de tre polymermembraner. En konsekvens av etsning er endringen i porediameter. D…

Discussion

Plasma prosessen produserer en lilla gass, som er forårsaket av ionisert argon. En oransje farge ville indikere tilstedeværelse av uønsket nitrogen fra en lekkasje. Plasma prosessen ikke bare danne radikaler på overflaten, men også etser membranen ^7,12. For mye etsing kan endre diameteren pore betydelig, noe som ville påvirke permeabiliteten av membranen. Den kontrollerte reaksjonsbetingelser for det presenterte oppsettet tillater å forbedre reproduserbarheten av den plasma-initiert poding prosessen. I…

Materials

Name of Reagent/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
2-Hydroxyethyl methacrylate, 97%	Sigma-Aldrich	128635
Hexane 99%	Biosolve
Magnesium sulfate (MgSO4, anhydrous)	Sigma-Aldrich	M7506
Methanol, 99%	Sigma-Aldrich	14262	dried over molecular sieves
N,N-Dicylcohexylcarbodiimide, 99%	Sigma-Aldrich	D8002
Dimethyl aminopyridine, 99%	Sigma-Aldrich	107700
Tert-butylmethylether, 98%	Fluka	306975
Polycarbonate membrane	Whatman		Nanopore Track Etched (TE) (1.0 μm, 0.2 μm, 0.1 μm, 50 nm, 30 nm and 15 nm pore diameter; 47 mm or 25 mm membrane diameter)
Caffeine (reagent plus)	Sigma-Aldrich	C0750
Franz diffusion cell (12 ml)	SES-Analysesysteme	6C010015	15mm unjacheted Franz Cell, 12 ml Receptor volume, Flat ground, clear glass, stirbat and clamp
UV-Lamp			UV irradiation (366 nm, 15 W/m2)
White light lamp			White light irradiation (500 W bulb)
UV/Vis spectrophotometer	Varian 50Bio/50MPR
Polyester membranes	Sterlitech	PET0225100	Polyester Membrane Filters, 0.2 μm pore diameter, 25 mmm diameter
Polyvinylidene fluoride membranes	Millipore		PVDF Membranes Durapore (0.22 μm pore diameter; 47 mm membrane diameter)
Argon (99.9995%)	Alphagaz
Dressler Cesar RF Power Generator			Plasma chamber setup
MKS Multi Gas Controller 647C			Plasma chamber setup
MKS Mass-Flow controllers			Plasma chamber setup
Vacuubrand RE 2.5 rotary vane vacuum pump			Plasma chamber setup
Contact angle measurement device Krüss G10
Balances Mettler Toledo AB204-S and Mettler ME30