如何用QCM-D測(cè)量薄膜的膨脹

你有沒(méi)有注意到隱形眼鏡是如何變干、皺折并變形但如果將其放回隱形眼鏡溶液中，它又會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形狀？ 許多天然和人造材料的功能和特性取決于它們吸收和釋放水的能力。 隱形眼鏡就是一個(gè)例子，但食品和化妝品中的增稠劑和乳化劑以及過(guò)濾裝置都取決于材料水合和脫水的能力。因此在產(chǎn)品研究和開(kāi)發(fā)中，研究這些材料的膨脹過(guò)程就非常重要。 這可以通過(guò)QCM-D來(lái)完成，QCM-D是一種表面敏感技術(shù)，可用于表征和優(yōu)化薄膜中水的吸收和釋放過(guò)程。

監(jiān)測(cè)薄膜的水分吸收和膨脹

取決于表面上的分子和分子構(gòu)象，薄膜中的含水量可以大于95％。 例如，考慮在表面上吸附平坦的細(xì)長(zhǎng)分子，如圖1所示。具有這種分子排列的吸附層將只有少量的水；而如果它們以直立的方式吸附，將會(huì)有更多的水能夠與分子偶聯(lián)。 分子層的水合和脫水以及這兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變可用QCM-D來(lái)表征，其中水分吸收和膨脹表現(xiàn)為表面質(zhì)量的增加。

圖1.塌縮吸附在表面上的分子（左側(cè)）與直立吸附（右側(cè)）相比吸附的溶劑少。

薄膜膨脹的例子

舉個(gè)例子，我們來(lái)看一下淀粉薄膜中的水分吸收情況。 淀粉是諸如造紙工業(yè)和可食用薄膜設(shè)計(jì)中的重要組成部分。 在這兩個(gè)領(lǐng)域，環(huán)境濕度對(duì)材料強(qiáng)度和質(zhì)量的影響是一個(gè)核心問(wèn)題。 對(duì)于紙張來(lái)說(shuō)，淀粉溶解度應(yīng)該很低，以便紙張?jiān)诃h(huán)境濕度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。 另一方面，對(duì)于可食用材料，淀粉材料應(yīng)該可以溶解，并且溶解度需要高于特定的環(huán)境濕度。

在這個(gè)例子中，我們將一層天然馬鈴薯淀粉薄膜暴露在不同濕度的空氣中，同時(shí)測(cè)量薄膜厚度變化，如圖2所示。

- 測(cè)量開(kāi)始時(shí)的薄膜厚度設(shè)定為100％。 測(cè)量從空氣濕度11％開(kāi)始。

- 接下來(lái)，逐漸增加濕度，并監(jiān)測(cè)薄膜厚度變化。 隨著濕度增加，膜的厚度增加。

- 值得注意的是，當(dāng)濕度從100％變回到11％時(shí)，淀粉薄膜在幾秒鐘內(nèi)就會(huì)塌陷回原來(lái)的厚度。

該測(cè)量顯示了濕度是如何引起膜的膨脹并影響薄膜厚度的。 結(jié)果可深入了解材料在不同濕度條件下的表現(xiàn)。

圖2.蒸汽吸收和薄膜膨脹的分析。 天然馬鈴薯淀粉薄膜的厚度與空氣濕度的函數(shù)關(guān)系。

遇到的其他薄膜膨脹的情況

除了紙漿和造紙工業(yè)之外，蒸汽吸收和薄膜膨脹的測(cè)量在許多其他使用吸濕材料的領(lǐng)域也是相關(guān)的。 例如在用于儲(chǔ)存和輸送的藥物包封以及水敏應(yīng)用中，比如在防潮設(shè)備的材料設(shè)計(jì)中，材料的性質(zhì)必須不受環(huán)境濕度變化的影響。 在許多其他情況下也會(huì)出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，例如在表面活性劑引起土壤的溶脹的清洗過(guò)程中，，以及在設(shè)計(jì)對(duì)pH、溫度或離子強(qiáng)度有響應(yīng)的智能材料中。