Polymer adsorption
अवशोषण एक अन्य चरण की सतह पर आयनों या अणुओं का आसंजन है। अवशोषण भौतिक अवशोषण और रसायन अवशोषण के माध्यम से हो सकता है। आयन और अणु बहुलक सतहों सहित कई प्रकार की सतहों को अवशोषित कर सकते हैं। एक बहुलक एक बड़ा अणु है जो सहसंयोजक बंधनों द्वारा एक साथ बंधी हुई दोहराने वाली उप-इकाइयों से बना होता है। डाइलूट विलयन में, पॉलिमर ग्लोब्यूल संरचनाएँ बनाते हैं। जब एक बहुलक एक सतह पर अवशोषित होता है जिसके साथ यह अनुकूल रूप से बातचीत करता है, तो ग्लोबूल अनिवार्य रूप से स्क्वैश किया जाता है, और बहुलक में एक पैनकेक संरचना होती है। पॉलिमर बनाम गैर-पॉलिमर सतह पॉलिमर की सतह गैर-पॉलिमर सतहों से अलग होती है जिसमें सतह को बनाने वाली उप-इकाइयाँ एक दूसरे से सहसंयोजक रूप से जुड़ी होती हैं। गैर-बहुलक सतह आयनिक बंधन, धातु बंधन या अंतर-आणविक बलों (आई. एम. एफ.) से बंधी हो सकती हैं। दो घटक प्रणाली में, गैर-पॉलिमर सतहों का निर्माण तब होता है जब आत्म-अंतःक्रियाओं को तोड़ने और गैर-आत्म-अंतःक्रियाओं को बनाने के लिए ऊर्जा की एक सकारात्मक शुद्ध मात्रा की आवश्यकता होती है। अतः मिश्रण की ऊर्जा (δmixG) धनात्मक होती है। ऊर्जा की यह मात्रा, जैसा कि अंतरफलक तनाव द्वारा वर्णित है, सामग्री के विभिन्न संयोजनों के लिए भिन्न होती है। हालांकि, बहुलक सतहों के साथ, उप-इकाइयाँ सहसंयोजक रूप से एक साथ बंधी होती हैं और ठोस सतह का थोक चरण सतह के तनाव को सीधे मापने की अनुमति नहीं देता है। बड़े बहुलक अणुओं के बीच अंतर-आणविक बलों की गणना करना मुश्किल है और गैर-बहुलक सतह आणविक अंतःक्रियाओं की तरह आसानी से निर्धारित नहीं किया जा सकता है। सहसंयोजक बन्धित उप-इकाइयाँ गैर-बहुलक सतहों की तुलना में अलग-अलग गुणों वाली सतह बनाती हैं। पॉलिमर सतहों के कुछ उदाहरणों में शामिल हैंः पॉलीविनाइल क्लोराइड (पीवीसी), नायलॉन, पॉलीइथिलीन (पीई), और पॉलीप्रोपाइलीन (पीपी)। पॉलिमर सतहों का विश्लेषण विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके किया गया है, जिनमें शामिल हैंः स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी और अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी। अवशोषण समताप अवशोषण प्रक्रिया को यह निर्धारित करके चिह्नित किया जा सकता है कि सतह पर कितनी मात्रा में आयन या अणु अवशोषित होते हैं। इस राशि को एक अधिशोषण समताप के निर्माण द्वारा प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया जा सकता है। एक अधिशोषण समताप एक दिए गए स्थिर तापमान के लिए अधिशोषण (पी, टी) बनाम अधिशोषण (पी/पी0) के आंशिक दबाव का एक ग्राफ है, जहां प्रति सतह क्षेत्र में अधिशोषित अणुओं की संख्या है। जैसे-जैसे अधिशोषक का आंशिक दबाव बढ़ता है, प्रति क्षेत्र अणुओं की संख्या भी बढ़ती है। संपर्क कोण और सतह तनाव संपर्क कोण, वह कोण जिस पर एक तरल बूंद एक ठोस सतह पर मिलती है, बहुलक सतहों को चिह्नित करने का एक और तरीका है। संपर्क कोण (θ) ठोस सतह पर तरल की गीला करने की क्षमता का एक माप है। आम तौर पर, कम सतह ऊर्जा के कारण, तरल पदार्थ बहुलक सतहों को गीला नहीं करेंगे और संपर्क कोण 90° से अधिक होगा। बहुलक सतह की तुलना में तरल अणु अन्य तरल अणुओं की ओर अधिक आकर्षित होते हैं। चूंकि बहुलक सतह ठोस सतह होती हैं, इसलिए सतह के तनाव को पारंपरिक तरीके से नहीं मापा जा सकता है जैसे कि विल्हेल्मी प्लेट का उपयोग करना। इसके बजाय, संपर्क कोणों का उपयोग अप्रत्यक्ष रूप से बहुलक सतहों के सतह तनाव का अनुमान लगाने के लिए किया जा सकता है। यह एक बहुलक सतह पर तरल पदार्थों की एक श्रृंखला के संपर्क कोणों को मापकर पूरा किया जाता है। कॉस θ बनाम तरल पदार्थों के सतह तनाव (γL) का एक लोमड़ी और ज़िस्मान प्लॉट एक सीधी रेखा देता है जिसे ठोस (γc) के महत्वपूर्ण सतह तनाव को निर्धारित करने के लिए वापस एक्सट्रापोलेट किया जा सकता है। कहाँः क्या संपर्क कोण है तरल का सतह तनाव ठोस का महत्वपूर्ण सतह तनाव है चर β को पहले लगभग 0.003 से 0.004 निर्धारित किया गया था। जबकि ठोस बहुलक सतह का वास्तविक सतह तनाव निर्धारित नहीं किया जा सकता है, लोमड़ी और ज़िस्मान भूखंड एक अनुमान के रूप में कार्य करता है। हालाँकि, यह अनुमान तिरछा हो सकता है यदि सतह और तरल के बीच महत्वपूर्ण अंतर-आणविक बल हैं। इसके अलावा, यह प्लॉट एक बहुलक सतह पर गिराए गए तरल पदार्थों के द्विआधारी मिश्रण के लिए लागू नहीं होता है। विभिन्न पॉलिमरों के कुछ अनुमानित सतह तनाव और बहुलक सतहों पर विभिन्न तरल पदार्थों के संपर्क कोण नीचे दिखाए गए हैं। {। वर्ग = "विकिटेबल"।-! पॉलिमर! ! γc (mN/m)।-। पॉलीस्टीरिन (पीएस)।। 40.7।-। पॉलीविनाइलसेटेट (पीवीए)।। 36.5।-। टेफ्लॉन।। 20।-। पॉलीमिथाइलएक्रिलिक एसिड (पीएमएए)।। 41।-। पॉलीप्रोपाइलीन।। 33।-। सिलिकॉन।। 24।-। पॉलीमाइड।। 40।-। नायलॉन 6/6।। 41।-। पॉलीएक्रिलमाइड।।। 56।) अवशोषण और आवेश संबंध विभिन्न बहुलक सतहों के मोनोमर्स पर अलग-अलग पार्श्व श्रृंखलाएँ होती हैं जो अधिशोषकों के अवशोषण या पृथक्करण के कारण चार्ज हो सकती हैं। उदाहरण के लिए, पॉलीस्टीरिन सल्फोनेट में नकारात्मक रूप से आवेशित साइड चेन वाले मोनोमर्स होते हैं जो सकारात्मक रूप से आवेशित अधिशोषक को अवशोषित कर सकते हैं। पॉलीस्टीरिन सल्फोनेट ऋणात्मक आवेशित की तुलना में अधिक धनात्मक आवेशित अधिशोषित अवशोषित करेगा। इसके विपरीत, एक बहुलक के लिए जिसमें सकारात्मक रूप से आवेशित साइड चेन होती है, जैसे कि पॉली (डायलेल्डाइमिथाइलमोनियम क्लोराइड), नकारात्मक रूप से आवेशित अधिशोषक दृढ़ता से आकर्षित होंगे। बहुलक सतहों की ऊष्मागतिकी संपर्क कोण क्योंकि किसी सतह की अपनी सतह पर अणुओं को अवशोषित करने की क्षमता अंतःक्रिया की ऊर्जाओं पर निर्भर करती है, अधिशोषण के लिए प्रेरक बलों को समझने के लिए अधिशोषण के ऊष्मागतिकी का उपयोग किया जा सकता है। बहुलक सतहों के ऊष्मागतिकी को मापने के लिए, संपर्क कोणों का उपयोग अक्सर उपयोगी जानकारी आसानी से प्राप्त करने के लिए किया जाता है। ठोस सतह पर तरल की एक बूंद के संपर्क कोणों का ऊष्मागतिकीय विवरण ठोस-तरल, ठोस-वाष्प और तरल-वाष्प इंटरफेस की रासायनिक क्षमताओं के बीच बने संतुलन से प्राप्त होता है। संतुलन में, सतह पर तरल बूंद का संपर्क कोण नहीं बदलता है। इसलिए, गिब्स मुक्त ऊर्जा 0 के बराबर हैः तीन इंटरफेस की रासायनिक क्षमता को रद्द करना चाहिए, जिससे सतह ऊर्जा और संपर्क कोणों के बीच संबंध के लिए यंग का समीकरण उत्पन्न होता हैः जहाँः तरल का सतह तनाव तरल का संपर्क कोण है ठोस-वाष्प इंटरफेस का सतह तनाव ठोस-तरल इंटरफेस का सतह तनाव है जो संतुलन में तरल का वाष्प दबाव है। हालाँकि, इस समीकरण का उपयोग किसी ठोस सतह की सतह ऊर्जा को स्वयं निर्धारित करने के लिए नहीं किया जा सकता है। इसका उपयोग ठोस के संपर्क कोण और सतह ऊर्जा के बीच संबंध निर्धारित करने के लिए निम्नलिखित समीकरण के साथ संयोजन में किया जा सकता है, क्योंकि एक ठोस के लिए सतह तनाव ≈ सतह ऊर्जाः जहां ठोस की सतह ऊर्जा तरल की सतह तनाव है। और ठोस की सतह ऊर्जा के फैलाव और ध्रुवीय घटक हैं इन दो समीकरणों का उपयोग करके, एक ठोस की सतह ऊर्जा को उस ठोस की सतह पर ज्ञात सतह तनाव के दो अलग-अलग तरल पदार्थों के संपर्क कोण को मापकर निर्धारित किया जा सकता है। कॉपोलिमर विषम सतहों (दो या दो से अधिक विभिन्न प्रकार की सामग्री से युक्त) के लिए, ठोस सतह के साथ तीन चरण संपर्क रेखा के साथ प्रत्येक बिंदु पर तरल की एक बूंद का संपर्क कोण उस बिंदु पर सतह के सतह तनाव का परिणाम है। उदाहरण के लिए, यदि सतह के विषम क्षेत्र बहुत बड़े क्षेत्र बनाते हैं, और बूंद पूरी तरह से एक सजातीय क्षेत्र के भीतर मौजूद है, तो इसका उस सजातीय क्षेत्र के सतह तनाव के अनुरूप एक संपर्क कोण होगा। इसी तरह, एक बूंद जो अलग-अलग सतह तनावों के दो क्षेत्रों में फैली हुई है, प्रत्येक बिंदु पर अलग-अलग सतह तनावों के अनुरूप तीन चरण संपर्क रेखा के साथ अलग-अलग संपर्क कोण होंगे। हालांकि, पर्याप्त रूप से छोटे क्षेत्रों के साथ (जैसे कि एक ब्लॉक कॉपोलिमर के क्षेत्रों में), सतह की देखी गई सतह ऊर्जा सतह के प्रत्येक घटक की सतह ऊर्जा के भारित औसत तक पहुंचती हैः जहांः बहुलक की समग्र सतह ऊर्जा बहुलक की सतह के घटक का अंश है जो घटक की सतह ऊर्जा है ऐसा इसलिए होता है क्योंकि जैसे-जैसे सजातीय क्षेत्रों का आकार बूंद के आकार की तुलना में बहुत छोटा हो जाता है, विभिन्न सजातीय क्षेत्रों के साथ संपर्क कोणों में अंतर संपर्क कोणों के औसत से अप्रभेद्य हो जाता है। प्रेक्षित संपर्क कोण निम्नलिखित सूत्र द्वारा दिया जाता हैः जहांः क्या घटक का अंश संपर्क कोण घटक है यदि बहुलक केवल दो अलग-अलग मोनोमर्स से बना है, तो उपरोक्त समीकरण का उपयोग केवल उस पर रखे गए तरल की एक बूंद के संपर्क कोण को मापकर बहुलक की संरचना निर्धारित करने के लिए किया जा सकता हैः जहांः प्रेक्षित संपर्क कोण एक घटक का क्षेत्रफल अंश है, और दूसरे का क्षेत्रफल अंश है। और बहुलक के पहले और दूसरे घटकों के संपर्क कोण हैं। सतह का आवरण बहुलक सतहों और कोटिंग्स की परिभाषित विशेषताओं में से एक सतह की रासायनिक नियमितता है। जबकि कई सामग्री विभिन्न घटकों के अनियमित मिश्रण हो सकते हैं, बहुलक सतह रासायनिक रूप से समान होती हैं, सतह के सभी क्षेत्रों में विभिन्न कार्यात्मक समूहों के समान वितरण के साथ। इस वजह से, बहुलक सतहों पर अणुओं के अधिशोषण को लैंगमुइर या फ्रमकिन आइसोथर्म्स द्वारा आसानी से मॉडल किया जा सकता है। लैंगमुइर समीकरण बताता है कि एक सतह बंधन स्थल S पर अधिशोषक A के अणु के अधिशोषण के लिए, एक एकल बंधन स्थल का उपयोग किया जाता है, और प्रत्येक मुक्त बंधन स्थल अधिशोषक के अणु को स्वीकार करने की समान रूप से संभावना रखता हैः A + S <=> A-S जहाँः अधिशोषक सतह बंधन स्थल है जो बाध्य अधिशोषक/बंधन स्थल जोड़ी है इस प्रतिक्रिया के लिए संतुलन स्थिरांक को तब इस प्रकार परिभाषित किया जाता हैः संतुलन सतह कवरेज से संबंधित है, जो इस प्रकार दिया जाता हैः जहांः 'सतह कवरेज है (अंश, 0 खाली है, 1 पूरी तरह से ढका हुआ है) अधिशोषण संतुलन स्थिर अवशोषण ऊर्जा है क्योंकि कई पॉलिमर हैं। जबकि यह कुछ अनुप्रयोगों के लिए फायदेमंद हो सकता है, बहुलक सतहों का संशोधन कई अन्य अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है जिसमें इसकी सतह पर एक सब्सट्रेट का पालन करना इष्टतम प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, कई अनुप्रयोग पॉलिमर का उपयोग संरचनात्मक घटकों के रूप में करते हैं, लेकिन जो मौसम या घिसाव के अन्य स्रोतों के संपर्क में आने पर तेजी से खराब हो जाते हैं। इसलिए, कोटिंग्स का उपयोग किया जाना चाहिए जो संरचनात्मक परत को नुकसान से बचाते हैं। हालांकि, गैर-ध्रुवीय पॉलिमर के खराब चिपकने वाले गुणों के कारण इसकी सतह पर सुरक्षात्मक परत को अवशोषित करना मुश्किल हो जाता है। इस प्रकार की समस्याएं उपयोगी प्रौद्योगिकियों के विकास के लिए सतह ऊर्जा के मापन और नियंत्रण को महत्वपूर्ण बनाती हैं। अधिशोषण की गिब्स ऊर्जा, अधिशोषण संतुलन स्थिरांक से निर्धारित की जा सकती हैः क्योंकि एक सहज प्रक्रिया के लिए नकारात्मक और एक गैर-सहज प्रक्रिया के लिए सकारात्मक है, इसका उपयोग विभिन्न यौगिकों की सतह पर अधिशोषित होने की प्रवृत्ति को समझने के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, इसे दो घटकों के संयोजन में विभाजित किया जा सकता हैः जो क्रमशः भौतिक अवशोषण और रसायन अवशोषण की गिब्स ऊर्जाएँ हैं। कई बहुलक अनुप्रयोग, जैसे कि पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (पीटीएफई, या टेफ्लॉन) का उपयोग करने वालों को एक प्रकार की सामग्री के लिए विशिष्ट भौतिक अवशोषण गुणों वाली सतह के उपयोग की आवश्यकता होती है, जबकि एक अलग प्रकार की सामग्री के स्थान पर दृढ़ता से चिपकाया जाता है। क्योंकि इस प्रकार की सामग्रियों के लिए भौतिक अवशोषण ऊर्जा इतनी कम होती है, रसायन अवशोषण का उपयोग बहुलक परत और वस्तु की सतह (जैसे एक पैन) के बीच सहसंयोजक बंधन बनाने के लिए किया जाता है जो इसे जगह पर रखता है। क्योंकि रसायन अवशोषण प्रक्रियाओं के सापेक्ष परिमाण आम तौर पर भौतिक अवशोषण प्रक्रियाओं के परिमाण की तुलना में बहुत अधिक होते हैं, यह बहुलक और उस सतह के बीच एक मजबूत बंधन बनाता है जिससे यह रासायनिक रूप से चिपक जाता है, जबकि बहुलक को अन्य सामग्रियों की ओर अपनी भौतिक अवशोषण विशेषताओं को बनाए रखने की अनुमति देता है। प्रायोगिक रूप से, अधिशोषण की एन्थैल्पी और एन्ट्रापी का उपयोग अक्सर किसी सामग्री के अधिशोषण गुणों को ठीक करने के लिए किया जाता है। अधिशोषण की एन्थैल्पी को निरंतर दबाव कैलोरीमीटरी से निर्धारित किया जा सकता हैः जहाँः गर्मी का आदान-प्रदान होता है, अधिशोषण की अभिन्न मोलर एन्थैल्पी है, अधिशोषित मोल की संख्या है। अधिशोषण की एन्थैल्पी से, अधिशोषण की एन्ट्रापी की गणना की जा सकती हैः जहाँः अधिशोषण की अभिन्न दाढ़ एन्ट्रापी है, केल्विन में तापमान है। एक साथ, इनका उपयोग अधिशोषण प्रक्रियाओं के पीछे की प्रेरक शक्तियों को समझने के लिए किया जाता है। अनुप्रयोग प्रत्यारोपण कोटिंग्स प्रोटीन-प्रतिरोधी कोटिंग्स प्रोटीन अधिशोषण ऊतक-प्रत्यारोपण इंटरफेस पर होने वाली अंतःक्रियाओं को प्रभावित करता है। प्रोटीन अधिशोषण से रक्त के थक्के बन सकते हैं, बाहरी शरीर की प्रतिक्रिया हो सकती है और अंततः उपकरण का क्षरण हो सकता है। प्रोटीन अधिशोषण के प्रभावों का मुकाबला करने के लिए, प्रत्यारोपण को अक्सर प्रोटीन अधिशोषण को कम करने के लिए एक बहुलक परत के साथ लेपित किया जाता है। पॉलीइथिलीन ग्लाइकोल (पी. ई. जी.) कोटिंग्स को शरीर में प्रोटीन के अवशोषण को कम करने के लिए दिखाया गया है। पी. ई. जी. कोटिंग में हाइड्रोफिलिक अणु होते हैं जो प्रोटीन अधिशोषण के लिए प्रतिकारक होते हैं। प्रोटीन में हाइड्रोफोबिक अणु और चार्ज साइट होते हैं जो अन्य हाइड्रोफोबिक अणुओं और विपरीत चार्ज साइटों से जुड़ना चाहते हैं। पी. ई. जी. की एक पतली एक परत परत लगाने से, उपकरण स्थल पर प्रोटीन के अवशोषण को रोका जाता है। इसके अलावा, प्रोटीन अधिशोषण, फाइब्रोब्लास्ट आसंजन और बैक्टीरिया आसंजन के लिए उपकरण का प्रतिरोध बढ़ जाता है। एंटीथ्रॉम्बोजेनिक कोटिंग्स एक चिकित्सा उपकरण की हीमोकॉम्पैटेबिलिटी सतह के आवेश, ऊर्जा और स्थलाकृति पर निर्भर करती है। जो उपकरण हीमोकॉम्पैटेबिल होने में विफल रहते हैं, उनमें थ्रोम्बस बनने, प्रसार और प्रतिरक्षा प्रणाली से समझौता करने का खतरा होता है। पॉलिमर कोटिंग्स को उपकरणों पर उनकी हीमोकॉम्पैटेबिलिटी बढ़ाने के लिए लगाया जाता है। रासायनिक झरनों से रेशेदार थक्के बनते हैं। हाइड्रोफिलिक पॉलिमर कोटिंग्स का उपयोग करने का विकल्प चुनने से, प्रोटीन का अवशोषण कम हो जाता है और रक्त के साथ नकारात्मक बातचीत की संभावना भी कम हो जाती है। हेपरिन एक ऐसा पॉलिमर कोटिंग है जो हीमोकॉम्पेटेबिलिटी को बढ़ाता है। हेपरिन एक बहुलक परत है जो जमावट को रोकने के लिए थ्रोम्बिन के साथ परस्पर क्रिया करती है। हेपरिन को प्लेटलेट आसंजन, पूरक सक्रियण और प्रोटीन अधिशोषण को दबाने के लिए दिखाया गया है। स्ट्रक्चरल एडवांस्ड पॉलिमर कंपोजिट एडवांस्ड पॉलिमर कंपोजिट का उपयोग पुरानी संरचनाओं को मजबूत करने और उनके पुनर्वास में किया जाता है। इन उन्नत संयोजनों को प्रीप्रेग, राल, जलसेक, फिलामेंट वाइंडिंग और पुल्ट्रूज़न सहित कई अलग-अलग तरीकों का उपयोग करके बनाया जा सकता है। उन्नत बहुलक यौगिकों का उपयोग कई हवाई जहाज संरचनाओं में किया जाता है और उनका सबसे बड़ा बाजार एयरोस्पेस और रक्षा में है। फाइबर-प्रबलित पॉलिमर (एफ. आर. पी.) आमतौर पर सिविल इंजीनियरों द्वारा अपनी संरचनाओं में उपयोग किए जाते हैं। एफ. आर. पी. अक्षीय तनाव के लिए रैखिक रूप से प्रतिक्रिया करते हैं, जिससे वे भार को पकड़ने के लिए एक महान सामग्री बन जाते हैं। एफ. आर. पी. आमतौर पर एक टुकड़े टुकड़े में होते हैं जिसमें प्रत्येक टुकड़े टुकड़े में एक दिशात्मक रेशे होते हैं, आमतौर पर कार्बन या कांच, जो हल्के बहुलक मैट्रिक्स सामग्री की एक परत के भीतर एम्बेडेड होते हैं। एफ. आर. पी. में पर्यावरणीय जोखिम और महान स्थायित्व के खिलाफ बहुत प्रतिरोध है। पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (पीटीएफई) एक बहुलक है जिसका उपयोग गैर-छड़ी कोटिंग्स, सौंदर्य उत्पादों और स्नेहक सहित कई अनुप्रयोगों में किया जाता है। पी. टी. एफ. ई. कार्बन और फ्लोरीन से बना एक हाइड्रोफोबिक अणु है। कार्बन-फ्लोरीन बंधन पी. टी. एफ. ई. को कम घर्षण वाली सामग्री बनाता है, जो उच्च तापमान वातावरण में अनुकूल होता है और तनाव दरार के लिए प्रतिरोधी होता है। ये गुण पीटीएफई के गैर-प्रतिक्रियाशील होने का कारण बनते हैं और अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में उपयोग किए जाते हैं। संदर्भ सतह विज्ञान सामग्री विज्ञान