पॉलिमर सामग्री के क्षेत्र में, गैर-आयनिक पानी में घुलनशील पॉलिमर, अपने अद्वितीय भौतिक और रासायनिक गुणों के कारण, फार्मास्यूटिकल्स, भोजन और दैनिक रसायनों सहित कई उद्योगों में महत्वपूर्ण स्थान रखते हैं। पॉलीविनाइलपाइरोलिडोन (पीवीपी), एक प्रमुख उदाहरण, को तीन व्यापक श्रेणियों में विकसित किया गया है: होमोपोलिमर, कॉपोलिमर, और क्रॉस-लिंक्ड पॉलिमर। हालाँकि, रैखिक पीवीपी की पानी में घुलनशीलता कुछ अनुप्रयोगों में रीसाइक्लिंग को मुश्किल बनाती है, और अवशेष आसानी से उत्पाद के स्वाद को प्रभावित कर सकते हैं। हमने पीवीपीपी पर गहन शोध किया, दो तैयारी मार्गों के माध्यम से उत्पाद प्रदर्शन पर प्रक्रिया मापदंडों के प्रभाव की व्यवस्थित रूप से खोज की: सस्पेंशन पोलीमराइजेशन और कॉर्नफ्लावर पोलीमराइजेशन। यह शोध पीवीपीपी के औद्योगिक अनुप्रयोग के लिए प्रमुख सैद्धांतिक समर्थन और तकनीकी संदर्भ प्रदान करता है।
1. पीवीपीपी तैयारी विधि और प्रक्रिया अनुकूलन
1.1 सस्पेंशन पॉलिमराइजेशन
सस्पेंशन पोलीमराइजेशन दानेदार और पाउडर पॉलिमर तैयार करने की एक सामान्य विधि है। इसके मूल सिद्धांत में एक सर्जक में घुले हुए एन-विनाइलपाइरोलिडोन (एनवीपी) मोनोमर्स को एक जलीय माध्यम में एक फैलावकर्ता की सुरक्षा के तहत बूंदों के रूप में निलंबित करना शामिल है। एक क्रॉसलिंकर फिर एक त्रि-आयामी नेटवर्क बनाता है। इस प्रयोग में क्रॉसलिंकर के रूप में डिवाइनिलबेन्जीन (डीवीबी) या एन,एन'-मेथिलीनबिसैक्रिलामाइड (एनएमबीए), सर्जक के रूप में एज़ोबिसोब्यूटिरोनिट्राइल (एआईबीएन), फैलाने वाले के रूप में पॉलीविनाइलपाइरोलिडोन K30 (पीवीपी K30), और विलायक के रूप में जलीय सोडियम सल्फेट और डिसोडियम हाइड्रोजन फॉस्फेट समाधान का उपयोग किया गया।
एकल -कारक प्रयोगों से पता चला कि प्रक्रिया पैरामीटर पीवीपीपी उपज, सूजन गुणों और सोखना प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं। तापमान के संबंध में, 70 डिग्री इष्टतम प्रतिक्रिया तापमान है, जहां आरंभकर्ता अपघटन दर और मोनोमर पोलीमराइजेशन दर एक संतुलन तक पहुंच जाती है, जिसके परिणामस्वरूप 96.42% की उपज होती है। बहुत कम तापमान (उदाहरण के लिए, 40 डिग्री) के परिणामस्वरूप अपर्याप्त आरंभक गतिविधि होती है, जिससे उपज 88% से कम हो जाती है। बहुत अधिक तापमान (उदाहरण के लिए, 90 डिग्री) तेजी से सर्जक अपघटन और समय से पहले मुक्त कणों की समाप्ति का कारण बनता है, जिसके परिणामस्वरूप केवल 77.89% की उपज होती है। आरंभकर्ता खुराक के संबंध में, जब एआईबीएन एनवीपी द्रव्यमान का 1% होता है, तो उत्पाद 94.65% की उपज और 135 मिलीग्राम/जी की सैलिसिलिक एसिड सोखने की क्षमता के साथ इष्टतम समग्र प्रदर्शन प्राप्त करता है। बहुत कम खुराक (0.4%) के परिणामस्वरूप अपर्याप्त मुक्त कणों के कारण अपूर्ण पोलीमराइजेशन होता है, जबकि अत्यधिक खुराक (2.0%) से श्रृंखला समाप्ति की संभावना बढ़ जाती है और बदले में, सोखना प्रदर्शन कम हो जाता है।
उपयोग किए गए क्रॉसलिंकर की मात्रा सीधे उत्पाद संरचना और गुणों को निर्धारित करती है। जब डीवीबी की खुराक 0.5% से 10% तक बढ़ गई, तो जेल की मात्रा 47 एमएल/जी से तेजी से गिरकर 6.4 एमएल/जी हो गई। यह आणविक नेटवर्क स्थान को संपीड़ित करने वाले बढ़े हुए क्रॉसलिंकिंग बिंदुओं के कारण है। इसके साथ ही, टैनिन सोखने की क्षमता 80 मिलीग्राम/जी से घटकर 61 मिलीग्राम/ग्राम हो गई, जो क्रॉसलिंकर खुराक को समायोजित करके सूजन और सोखने की क्षमता को संतुलित करने की आवश्यकता को दर्शाता है। इष्टतम निलंबन पोलीमराइजेशन प्रक्रिया निर्धारित की गई थी: मोनोमर की 200% विलायक खुराक, 1% की आरंभकर्ता खुराक, 1% की फैलाव खुराक, 2% -8% की क्रॉसलिंकर खुराक, और 70 डिग्री का प्रतिक्रिया तापमान। इन शर्तों के तहत, पीवीपीपी उपज 90% से अधिक हो गई, और टैनिन और सैलिसिलिक एसिड की सोखने की क्षमता क्रमशः 80 मिलीग्राम/जी और 169 मिलीग्राम/जी तक पहुंच गई।
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 (>प्रतिक्रिया प्रेरण अवधि को छोटा करने के लिए 85%) का उपयोग किया गया था।
प्रक्रिया अनुकूलन परिणामों से पता चला कि पीवीपीपी का प्रदर्शन 80{16}}100 डिग्री के प्रतिक्रिया तापमान पर इष्टतम था। 80 डिग्री पर, कण उपस्थिति का समय लगभग 1 घंटा था, जो 100 डिग्री पर घटकर 0.17 घंटे हो गया। हालाँकि, ऊंचा तापमान आसानी से मोनोमर हाइड्रोलिसिस का कारण बन सकता है। जब क्रॉसलिंकर एनएमबीए खुराक एनवीपी का 2% -4% था, तो उपज क्रमशः 103 मिलीग्राम/जी टैनिन और 194 मिलीग्राम/जी सैलिसिलिक एसिड की सोखने की क्षमता के साथ 77.9% तक पहुंच गई। सस्पेंशन पोलीमराइजेशन विधि की तुलना में, पॉपकॉर्न पोलीमराइजेशन विधि के उत्पाद में एक ढीली छिद्रपूर्ण संरचना, एक बड़ा विशिष्ट सतह क्षेत्र और बेहतर सोखना प्रदर्शन होता है, लेकिन उपज कम (70% -80%) होती है, मुख्यतः क्योंकि क्रॉस-लिंकिंग की उच्च डिग्री मोनोमर्स के प्रसार में बाधा डालती है और कुछ सक्रिय केंद्र नेटवर्क संरचना में एम्बेडेड होते हैं।
2. पीवीपीपी उत्पाद विशेषता और प्रदर्शन विश्लेषण
2.1 संरचनात्मक लक्षण वर्णन
पीवीपीपी संरचना को इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (आईआर), डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरिमेट्री (डीएससी), और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) का उपयोग करके व्यवस्थित रूप से चित्रित किया गया था। आईआर विश्लेषण से पता चला कि 1629 सेमी⁻¹ पर सी=सी डबल बॉन्ड अवशोषण शिखर की अनुपस्थिति है, जो एनवीपी के पूर्ण पोलीमराइजेशन की पुष्टि करता है। पाइरोलिडोन रिंग की एक विशिष्ट चोटी 1286 सेमी⁻¹ पर दिखाई दी, जो पीवीपीपी संरचना की पुष्टि करती है। सैलिसिलिक एसिड के सोखने के बाद, C=O स्ट्रेचिंग कंपन शिखर 1677 सेमी⁻¹ से 1660 सेमी⁻¹ तक स्थानांतरित हो गया, जो हाइड्रोजन बॉन्डिंग को दर्शाता है।
डीएससी विश्लेषण से पता चला कि रैखिक पीवीपी का ग्लास संक्रमण तापमान (टीजी) 175 डिग्री था, जबकि पीवीपीपी का तापमान काफी अधिक था। सस्पेंशन पोलीमराइजेशन में, जब डीवीबी खुराक 2% होती है, तो पीवीपीपी का टीजी 196 डिग्री होता है। जब खुराक 10% तक बढ़ा दी जाती है, तो टीजी 200 डिग्री से अधिक हो जाता है। पॉपकॉर्न पोलीमराइजेशन विधि द्वारा तैयार पीवीपीपी का टीजी लगभग 190-195 डिग्री है। इस घटना को आणविक खंडों की गति में बाधा डालने वाली क्रॉसलिंकिंग संरचना के लिए जिम्मेदार ठहराया गया है। क्रॉसलिंकर खुराक बढ़ाने के साथ टीजी काफी बढ़ जाती है, जिससे पता चलता है कि उत्पाद में रैखिक पीवीपी की तुलना में काफी बेहतर थर्मल स्थिरता है।
एसईएम अवलोकनों से पता चला कि सस्पेंशन पोलीमराइजेशन द्वारा तैयार पीवीपीपी घने गोले (6% डीवीबी खुराक पर) है, जबकि पॉपकॉर्न पोलीमराइजेशन विधि द्वारा उत्पादित उत्पाद में एक ढीली, छिद्रपूर्ण संरचना होती है जो बड़ी संख्या में स्टैक्ड प्राथमिक कणों से बनी होती है। यह संरचनात्मक अंतर पॉपकॉर्न विधि के बेहतर सोखने के प्रदर्शन का मुख्य कारण है। बड़ा विशिष्ट सतह क्षेत्र अधिक भौतिक सोखना साइट प्रदान करता है।
पीवीपीपी का मुख्य प्रदर्शन इसकी सूजन और सोखने के गुणों में निहित है। सस्पेंशन पोलीमराइज़ेशन विधि द्वारा उत्पादित उत्पाद की जेल मात्रा 5-50 एमएल/ग्राम तक होती है, जबकि पॉपकॉर्न विधि द्वारा उत्पादित जेल की मात्रा 5-8 एमएल/ग्राम होती है। पूर्व में बेहतर सूजन क्षमता होती है और उच्च सूजन गुणों (जैसे फार्मास्युटिकल डिसइंटीग्रेंट्स) की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। उत्तरार्द्ध, अपने उच्च क्रॉसलिंकिंग घनत्व के कारण, कम सूजन लेकिन उच्च सोखने की क्षमता प्रदर्शित करता है, जो इसे एक सोखने वाले के रूप में अधिक उपयुक्त बनाता है।
पॉपकॉर्न विधि द्वारा तैयार किया गया पीवीपीपी उत्कृष्ट सोखना प्रदर्शन प्रदर्शित करता है, जो क्रमशः टैनिन के लिए 103 मिलीग्राम/जी और सैलिसिलिक एसिड के लिए 194 मिलीग्राम/जी की सोखने की क्षमता प्राप्त करता है, जो सस्पेंशन पोलीमराइजेशन विधि की तुलना में 28.75% और 14.79% की वृद्धि दर्शाता है। यह लाभ बीयर स्पष्टीकरण और अपशिष्ट जल उपचार जैसे क्षेत्रों में आवेदन की काफी संभावनाएं रखता है।
3. पीवीपीपी के अनुप्रयोग की संभावनाएँ
बियर भंडारण के दौरान, पॉलीफेनोल्स (जैसे टैनिन और एंथोसायनिन) आसानी से प्रोटीन के साथ कॉम्प्लेक्स बनाते हैं, जिससे अजैविक मैलापन होता है और उत्पाद की उपस्थिति और स्वाद प्रभावित होता है। पीवीपीपी अणुओं में फ़ेथलामाइड समूह पॉलीफेनोल्स के हाइड्रॉक्सिल समूहों के साथ हाइड्रोजन बांड बना सकते हैं, जिससे स्थिर परिसरों का निर्माण होता है जिन्हें निस्पंदन द्वारा आसानी से हटाया जा सकता है। प्रयोगों से पता चला है कि पीवीपीपी की थोड़ी मात्रा केवल 5 मिनट में 200 एमएल बीयर को साफ कर सकती है। 50 डिग्री गर्म पानी से धोने और 2% NaOH घोल से रंग हटाने के बाद, पीवीपीपी का पुन: उपयोग किया जा सकता है। इससे लागत कम हो जाती है और पारंपरिक स्पष्टीकरण (जैसे बेंटोनाइट और सक्रिय कार्बन) की समस्याओं से बचा जा सकता है जो अशुद्धियाँ छोड़ सकते हैं या स्वाद यौगिकों को अवशोषित कर सकते हैं।
फार्मास्युटिकल उद्योग में, पीवीपीपी अपनी उत्कृष्ट जैव अनुकूलता के कारण कई अनुप्रयोगों को प्रदर्शित करता है। एक दवा विघटनकारी के रूप में, इसके जलीय सूजन गुण गोलियों के भीतर दबाव उत्पन्न कर सकते हैं, जिससे तेजी से विघटन को बढ़ावा मिलता है। एक निरंतर रिलीज ड्रग वाहक के रूप में, ड्रग रिलीज दर को सटीक रूप से नियंत्रित करने के लिए इसकी क्रॉस लिंकिंग डिग्री को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। आयोडीन से बना पीवीपीपी-I कॉम्प्लेक्स धीरे-धीरे आयोडीन छोड़ता है, जलन को कम करता है और घाव कीटाणुशोधन और स्विमिंग पूल के पानी के शुद्धिकरण जैसे अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। पीवीपीपी का उपयोग हेमोडायलिसिस झिल्ली और कांच के हास्य विकल्प जैसे बायोमटेरियल की तैयारी में भी किया जा सकता है, जो चिकित्सा प्रौद्योगिकी में प्रगति का समर्थन करता है।
कृषि में, पीवीपीपी का उपयोग मृदा जल धारण में सुधार के लिए मृदा कंडीशनर के रूप में किया जा सकता है। दैनिक रासायनिक उद्योग में, इसके मॉइस्चराइजिंग और फिल्म बनाने के गुण इसे सौंदर्य प्रसाधनों में उच्च गुणवत्ता वाला सहायक बनाते हैं। सामग्री विज्ञान में, पीवीपीपी आधारित झरझरा सामग्री का उपयोग प्रदूषक सोखने और उत्प्रेरक वाहक के लिए किया जा सकता है, जो व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं प्रदान करता है।
इस अध्ययन ने व्यवस्थित रूप से निलंबन और पॉपकॉर्न पोलीमराइजेशन विधियों द्वारा तैयार पीवीपीपी की मुख्य प्रक्रियाओं और प्रदर्शन विशेषताओं का खुलासा किया। सस्पेंशन पोलीमराइजेशन उच्च पैदावार और समान कण आकार का दावा करता है, जबकि पॉपकॉर्न पोलीमराइजेशन अपने बेहतर सोखने के गुणों के लिए जाना जाता है। प्रक्रिया पैरामीटर अनुकूलन और संरचनात्मक लक्षण वर्णन के माध्यम से, उन तंत्रों को स्पष्ट किया गया जिनके द्वारा क्रॉसलिंकर खुराक और प्रतिक्रिया तापमान जैसे प्रमुख कारक पीवीपीपी प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं, जो इसके औद्योगिक उत्पादन के लिए तकनीकी आधार प्रदान करते हैं। बीयर स्पष्टीकरण और फार्मास्युटिकल सहायक पदार्थों जैसे क्षेत्रों में पीवीपीपी के संभावित अनुप्रयोग न केवल रैखिक पीवीपी की सीमाओं को पार करते हैं, बल्कि गैर-आयनिक पॉलिमर की अनुप्रयोग सीमाओं का भी विस्तार करते हैं, जिससे संबंधित उद्योगों के विकास में नई गति आती है।