外文翻譯光滑納米纖維素（i）薄膜接觸角的測量

1、<p>　　光滑納米纖維素（I）薄膜接觸角的測量</p><p>　　Theresa A. Dankovich ， Derek G. Gray ?</p><p>　　麥吉爾大學(xué)，化學(xué)，紙漿和造紙大廈，蒙特利爾，QC部，</p><p><b>　　加拿大H3A2A7</b></p><p><b>

2、　　摘 要</b></p><p>　　纖維素網(wǎng)絡(luò)誤碼率與表面水和其他液體相互作用取決于表面形貌以及作為固有的材料特性。光滑納米晶纖維素（I）的網(wǎng)絡(luò)連接LMS可以用作模型來研究表面的現(xiàn)象，其中，被最小化的表面形貌和粗糙度的影響。接觸角測量是特別敏感的表面粗糙度。在這項(xiàng)工作中，我們測量了前進(jìn)和后退接觸角為水對(duì)薄模型纖維素（I）和再生纖維素（II）的網(wǎng)絡(luò)連接LMS。該前進(jìn)和后退接觸角的模型纖維素（I）的表

3、面比在纖維素低級(jí)（II）的面，并且接觸角滯后是用于平滑模型纖維素也較低（Ⅰ）的表面制備從納米晶體懸浮液。表面自由能用于從各種纖維素表面進(jìn)行評(píng)價(jià)接觸角測量。</p><p>　　皇家布里爾NV，萊頓，2011</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　納米纖維素，接觸角，纖維素，超薄音響LMS，模型表面</p>

4、<p><b>　　簡介 </b></p><p>　　纖維素纖維發(fā)生在植物為結(jié)晶纖維素（I）的區(qū)域散布有較少有序的無定形區(qū)域。纖維素表面的濕潤性和粘附性質(zhì)對(duì)于木材，木纖維，紙漿和棉花在造紙，紡織和復(fù)合材料的利用率是至關(guān)重要的。在一般情況下，天然纖維素的植物纖維的表面形態(tài)復(fù)雜，而且潤濕性和粘合性能既取決于組成和形態(tài)。它往往很難從每個(gè)這些因素解開的貢獻(xiàn)，尤其是在傳統(tǒng)的潤濕實(shí)驗(yàn)。&l

5、t;/p><p>　　雖然可以通過將纖維素溶解，使平滑纖維素表面或者在合適的溶劑和再生從纖維素的纖維素衍生物溶劑流延薄膜，這導(dǎo)致在結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化與纖維素（II）或其他不太常見的晶體形式[1]。潤濕性和表面自由能進(jìn)行了測量從粘膠和醋酸纖維素[2-5]，再生膜和從溶劑體系制備通過旋涂或朗繆爾 - 布洛杰特沉積方法薄膜，例如N-甲基嗎啉-N-氧化物（NMMO）與二甲基亞砜（DMSO）或二甲基乙酰胺與氯化鋰[6-8]。<

6、;/p><p>　　在這些平滑膜的纖維素是在纖維素（II）和/或無定形形式。然而，高度結(jié)晶纖維素（I）的納米晶體可以由水懸浮液，并投熱穩(wěn)定，得到模型纖維素（I）的薄膜;該納米晶體的尺寸足夠小，以得到具有根表面均方粗糙度值在幾納米的范圍內(nèi)，這取決于基材和纖維素源[9]。由于宏觀膜，其實(shí)質(zhì)上是純的纖維素（I）可以這樣來制備，這有利于對(duì)材料的更密切類似纖維素在天然纖維素纖維發(fā)現(xiàn)的形式表面的研究中，沒有由表面粗糙度和孔隙度引

7、入的問題。</p><p>　　在測量液滴前進(jìn)和后退的材料的表面上的接觸角的差通常被稱為接觸角滯后，可能是由于表面粗糙的液滴，表面異質(zhì)性，或吸附液體成批量的材料[10]。例如，圖森和Luner觀察水接觸角的迅速隨時(shí)間的減少對(duì)于纖維素膜，它們歸因于水滲透到纖維素[4]。這引起了纖維素膨脹，降低界面能量和減小接觸角。聯(lián)系在對(duì)纖維素20-30?for水范圍角滯后已經(jīng)報(bào)道[2,15]，并已經(jīng)提出了結(jié)晶度起著潤濕作用滯后和

8、粘附[3,11]。</p><p>　　在這項(xiàng)研究中，在前進(jìn)和后退水接觸角測定，適用于各種纖維素表面和薄膜厚度，包括納米晶纖維素的由醋酸纖維素（I）的再生纖維素（Ⅱ）的和表面。還測定接觸角為二碘甲烷和甲酰胺。結(jié)果列于捐款[12，13]對(duì)纖維素的表面自由能方面的討論。</p><p><b>　　2 實(shí)驗(yàn)</b></p><p><b>

9、;　　2.1 材料</b></p><p>　　下面以前發(fā)表的方法，我們做了從棉花纖維（的Whatman1號(hào)濾紙）纖維素納米晶體的膠體懸浮液[9]。纖維素醋酸粉末（錳?30000，乙?；?9.8％），氫氧化鈉，二碘甲烷與甲酰胺由Sigma-Aldrich提供。</p><p>　　2.2 纖維素膜的制備</p><p>　　我們制備了來自納米混懸劑任

10、一載玻片上在為3的浴清洗纖維素膜：1濃硫酸/ 30％過氧化氫的混合物或聚苯乙烯（PS）的培養(yǎng)皿。清洗過的載玻片呈零接觸</p><p>　　角度水。以形成在玻璃上的薄膜，我們投約200微升的2.65％（重量/重量）的纖維素納米晶體懸浮液到載玻片干燥它在60?C一個(gè)小時(shí)。形成厚和獨(dú)立電影，我們蒸發(fā)5毫升等分的纖維素納米懸掛在PS培養(yǎng)皿在60?C過夜。形成薄膜上的納米級(jí)的，我們使用一個(gè)旋涂器以沉積薄層纖維素在載玻片上

11、的納米晶體懸浮液。膜厚從用于旋涂膜約100nm變化到10微米的膜的范圍內(nèi)澆鑄在玻璃到~130微米的自支撐薄膜。以穩(wěn)定膜并防止納米晶體的再分散，我們加熱他們?cè)?05?C20-30分鐘。熱治療除去硫酸基從纖維素納米晶體[14]的表面上。</p><p>　　再生纖維素（II）的表面是由纖維素乙酸酯膜的氫氧化鈉水解[15，16]制備。以促進(jìn)醋酸纖維素的粘著旋涂膜在玻璃表面上，將玻璃呈現(xiàn)較少的親水性通過用二氯二甲基硅烷[

12、17]。旋涂從丙酮溶液后，將乙酸纖維素表面，然后水解用氫氧化鈉水溶液以形成再生纖維素（II）的表面上。</p><p><b>　　2.3 接觸角測量</b></p><p>　　接觸角測量無梗滴用測角計(jì)（接觸角系統(tǒng)OCA20，Dataphysics，德國）和CCD照相機(jī)在室溫（23?C）在空氣中的10-25％的相對(duì)濕度。的A 3微升滴體積探針液體被放置在纖維素表面，

13、從微型注射器（HamiltonBonaduz）。為了確定前進(jìn)接觸角，θA，我們?cè)黾恿?2微升至表面上的滴輕輕推進(jìn)接觸線。對(duì)于后退接觸角，θR，液體被撤回與注射器針頭直至縮回（圖1）的接觸線。測定是在三個(gè)或更多的液滴制成平均。除非另有說明，每一個(gè)測量是在一個(gè)新的位置。水，二碘甲烷和甲酰胺被用作探針液體;其表面張力和表面張力元件值總結(jié)在表1中</p><p>　　圖1 在固體表面上示出前進(jìn)和后退接觸角，θa的和θr的

14、固著液滴側(cè)視圖。 （a）液體被添加到降和接觸角前進(jìn)。（b）作為液體被排出時(shí)，接觸線保持固定，直到接觸角減小到θR，則接觸角后退[21]。 </p><p>　　表1 液體的表面張力和它的部件的文獻(xiàn)值(mN/m)</p><p>　　LW：利弗席茲-范德華。</p><p>　　表2 推進(jìn)（θa），后退（θr）接觸角和滯后（θa - θr）（?）與水的標(biāo)準(zhǔn)偏差纖維素

15、薄膜的表面</p><p>　　時(shí)間對(duì)水的纖維素表面上的接觸角的依賴性，測定在一組獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)。前進(jìn)角測定30秒的去除毛細(xì)管尖端的后（初期前進(jìn)角），并再次每30秒為一個(gè)周期的大約8分鐘。</p><p><b>　　2.4 吸水率</b></p><p>　　按照ASTM D570-98方法[18]，我們測量的吸水率自支撐纖維素膜。一式三份樣品在

16、105?C干燥20-30分鐘，在干燥器中冷卻，稱重。由于薄和纖維素膜的光吸收率高，將樣品浸沒在23?C只有兩個(gè)小時(shí)的去離子水。然后將樣品擦干，并立即稱重。</p><p><b>　　3 結(jié) 果</b></p><p>　　3.1 水對(duì)納米纖維素（NCC）的接觸角和再生纖維素</p><p>　　納米晶纖維素的表面上的前進(jìn)和后退接觸角與由醋酸纖

17、維素膜再生的纖維素表面上是總結(jié)在表2中。旋涂納米晶纖維素薄膜具有thelowest水前進(jìn)接觸角（13.1°），最低的后退接觸角（8°）和5°的，因此最低的滯后值。纖維素等影片納米晶體顯示出較高的接觸角（θ=18-28°）和更高的滯后（7-14°）作為薄膜從大約100納米的厚度增加為旋涂膜10微米的流延薄膜在玻璃上，以~130微米的自立式膜。薄膜與再生纖維素表面顯示的接觸角甚至更高的價(jià)值和

18、滯后。</p><p>　　所述纖維素表面上，前進(jìn)接觸角的時(shí)間的減少示于圖2。再有，非常薄的纖維素納米晶體層旋涂在玻璃在約5分鐘達(dá)到的最低接觸角（5?）。這個(gè)值是一個(gè)小比在同一表面上測得的后退接觸角低。減少在接觸時(shí)間的角度似乎趨于平緩只最薄納米晶樣本。</p><p><b>　　時(shí)間（min）</b></p><p>　　圖2 時(shí)間對(duì)纖維素表

19、面（最初前進(jìn)）水接觸角的依賴性。</p><p>　　誤差條顯示標(biāo)準(zhǔn)偏差。</p><p>　　接觸角為某些特定液體的測量常常用來估計(jì)到襯底的表面自由能不同的貢獻(xiàn)。聯(lián)系角度為水，二碘甲烷和甲酰胺的纖維素表面上列出在表3中，用一個(gè)旋轉(zhuǎn)涂敷三醋酸纖維素膠片數(shù)據(jù)沿（用作用于表面水解，得到的再生纖維素膜）和一些數(shù)據(jù)棉纖維的樣品（比較典型的纖維上測得的表面接觸角）。</p><p

20、>　　表3 接觸角測量（?）水（W），二碘甲烷（D）和甲酰胺（F）</p><p>　　*從Dankovich和謝長廷，2007年接觸角數(shù)據(jù)[20]。</p><p><b>　　4 討論</b></p><p>　　有人希望高結(jié)晶薄膜的平整表面投下的纖維素（Ⅰ）的納米晶體的懸浮液將避免由于表面粗糙的復(fù)雜和吸水性往往觀察自然接觸角測量纖維

21、?？傮w上，所測量的接觸角均符合最近的文獻(xiàn)值。Yamane等人。 [8]大約12?用于測量水的接觸角的再生纖維素和纖維素（II）的納米晶體的酸水解從銅銨纖維素為500微米厚的薄膜。 Eriksson等。 [11]報(bào)道稍高19.5?的一個(gè)120納米厚的層纖維素的值（I）的納米晶體旋涂在硅晶片，并奧林等。測23.7?的接觸角為一個(gè)非常相似納米晶體薄膜[19]。然而，也有一些顯著的趨勢在我們的結(jié)果。（一）所有的接觸角隨時(shí)間的減少。 （二）有一個(gè)

22、明顯的趨勢更高的接觸角，以及較大的接觸角滯后的增加的厚度。</p><p>　　顯然，粗糙度和水相互作用的影響仍然必須加以考慮。雖然該納米晶體的表面必須具有同樣的數(shù)量級(jí)的地形大小為納米晶體的尺寸，這些都是納米幾十的量級(jí)在最大，并且即使對(duì)于鑄的懸浮液，AFM測量的上表面建議的2.3納米的[9,11]的均方根粗糙度。相比于大多數(shù)纖維纖維素樣，就連最厚的納米晶體薄膜因而非常流暢。此外，最簡單的模型粗糙表面接觸角表明，對(duì)

23、于真正的接觸角小于90?，表觀角度應(yīng)由粗糙度被降低，而厚的流延薄膜（潛在的粗糙表面的上表面[9]）顯示最大接觸角（圖2）。</p><p>　　另一方面，隨著水的相互作用是關(guān)鍵纖維素的大多數(shù)應(yīng)用。我們?cè)Ｍ驗(yàn)榧{米晶體非常結(jié)晶，結(jié)晶纖維素不能在水中膨脹，在接觸時(shí)間依賴效應(yīng)角測量由于膨脹和吸水性將被最小化。然而，有強(qiáng)有力的證據(jù)，事實(shí)上納米晶體薄膜吸收做顯著量的水。在水中浸泡2小時(shí)后，我們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)樣品自由站立的薄

24、膜吸收了約16％的水（重量），和奧林等。[19]最近確定為薄（23.6納米）的薄膜更高程度的腫脹（26％）的石英纖維素納米晶體，由石英晶體微天平與手段耗散天平（QCM-D）。所以，盡管納米晶體的高結(jié)晶性，有對(duì)水的吸附和膜之間顯然足夠的孔隙空間腫脹發(fā)生。磁滯和減小接觸角隨時(shí)間的因此水的通常攝取的最可能是由纖維素材料的結(jié)果，如也證明了其結(jié)果為再生膜。楊-班杜雷公式給出，其中所述液體-蒸氣和固體-蒸氣表面張力是在，分別與該固 -液界面張力，是

25、與時(shí)間有關(guān)的，由于水?dāng)U散到納米多孔薄膜。作為納米顆粒之間的孔隙吸收水，這降低了界面水和纖維素之間的張力，當(dāng)纖維素達(dá)到極限被水飽和。假設(shè)這是一個(gè)擴(kuò)散的過程中，薄膜應(yīng)達(dá)到飽和度比的自立膜快得多，因此后者應(yīng)具有的值是最初接近，對(duì)于水/ 干纖維素接口，滴隨時(shí)間，對(duì)于水/飽和纖維素接口。因?yàn)槲覀兗?lt;/p><p>　　結(jié)果為二碘甲烷和甲酰胺前進(jìn)接觸角（表3）可用于估計(jì)極性（）和分散體（）成分的纖維素表面自由能的[22]。繼

26、歐文斯和溫特[12]，假定在整個(gè)纖維素 - 液體界面的界面自由能是相關(guān)的纖維素和液體的極性和分散表面自由能的幾何均值，所述固體的表面自由能可以從確定：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中，是試驗(yàn)液體的表面張力，下標(biāo)l和s是指試驗(yàn)液與纖維素表面，分別與標(biāo)d和p指到表面自由能的分散和極性貢獻(xiàn)，分別。一個(gè)類似中表達(dá)已經(jīng)被面包車奧斯，善，喬杜

27、里[13]給包括路易斯酸 - 堿成分，其中在右側(cè)中極性相互作用的術(shù)語。等式（1）被替換為：</p><p><b>　　()，</b></p><p>　　其中，上標(biāo)+和 - 參考于電子受主（酸）和電子給體（堿）的參數(shù)區(qū)別。</p><p><b>　　表4</b></p><p>　　總的構(gòu)成和表

28、面自由能（兆焦耳/平方米）從分散極性確定和利弗席茲-范德華（分散液）/酸堿方法的比較</p><p>　　Dankovich和Hsieh，接觸角數(shù)據(jù).2007[20]。</p><p>　　到表面上的分散的貢獻(xiàn)的測量和解釋該固體的自由能相當(dāng)廣泛接受。其結(jié)果為纖維素表面列于表4。自由表面的色散力分量能量（從二碘甲烷數(shù)據(jù)確定）的范圍是從40至46毫焦/平方米，再次用45.8毫焦耳/平方米的纖維

29、素納米晶體薄膜的最高值。這與45.1毫焦/米2的值報(bào)道了類似的旋流延薄膜協(xié)議最近由奧林等。 [19]。有趣的是，分散力成分纖維素的表面自由能也可以通過一個(gè)獨(dú)立的測量，非接觸式角度方法，基于反相氣相色譜（IGC）的吸附的正構(gòu)烷烴的蒸氣。在棉纖維紙范圍從52mJ/ m2，第精心干燥的紙，在0％的相對(duì)濕度，下降到34mJ/ m2作為濕度與紙張的含水量增加至98.5％[23]。在69％RH（?10％水含量）的值是44毫焦耳/米2，靠近從二碘甲烷

30、的值聯(lián)系上面的角度。同時(shí)兼具IGC和接觸角測量有其不足之處，政府間委員會(huì)的數(shù)據(jù)也強(qiáng)調(diào)相對(duì)濕度的效果強(qiáng)的環(huán)境條件下纖維素表面的任何表征。</p><p>　　測量和的極性和酸堿組分的解釋表面自由能有更多的問題。雖然這兩個(gè)接觸角和IGC方法可用于估算這些貢獻(xiàn)[24，25]，解釋是有爭議的，并且不在本文的討論范圍之內(nèi)。計(jì)算的值從表3結(jié)果和上述方程列于表4。同樣，最薄的納米晶體薄膜的顯示最低接觸角和最高表面自由能。的總表

31、面自由能為納米晶體的表面是接近（或可能大于）對(duì)于水。鑒于無處不相互作用水和高表面積纖維素（I）中的植物微纖維，這可能不是巧合。</p><p><b>　　5 結(jié) 論</b></p><p>　　我們?cè)Ｍ浅Ａ鲿车碾娪皬母叨冉Y(jié)晶纖維素制納米晶體將被證明是合適的基底潤濕上測量天然纖維素（I）的表面上，而不由地形引入的復(fù)雜性的天然纖維素纖維。而上最薄接觸角測量納米晶體薄

32、膜，得到小的接觸角幾乎沒有滯后，增加膜厚度導(dǎo)致了類似于那些再生纖維素薄膜的結(jié)果，與較大的接觸角和接觸角滯后。我們的結(jié)論是，盡管沒有幀內(nèi)結(jié)晶腫脹，有試驗(yàn)液顯著滲透納米晶體之間，導(dǎo)致類似的結(jié)果在正常腫脹纖維素底。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　我們感謝NSERC Canada的支持，T. G. M. van de Ven教授的對(duì)接觸角裝置

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