Свойства на разтвор на катионен целулозен етер

Свойствата на разредения разтвор на катионен целулозен етер с висока плътност на заряда (KG-30M) при различни стойности на pH бяха изследвани с инструмент за лазерно разсейване, от хидродинамичния радиус (Rh) под различни ъгли и средноквадратичния радиус на въртене Rg Съотношението към Rh предполага, че формата му е неправилна, но близка до сферична. След това с помощта на реометър бяха подробно изследвани три концентрирани разтвора на катионни целулозни етери с различна плътност на заряда и беше обсъдено влиянието на концентрацията, стойността на pH и собствената плътност на заряда върху неговите реологични свойства. С увеличаването на концентрацията показателят на Нютон първо намалява, а след това намалява. Възниква флуктуация или дори отскок и тиксотропно поведение се проявява при 3% (масова част). Умерената плътност на заряда е полезна за получаване на по-висок вискозитет при нулево срязване, а pH има малък ефект върху неговия вискозитет.

Ключови думи:катионен целулозен етер; морфология; нулев вискозитет на срязване; реология

Целулозните производни и техните модифицирани функционални полимери са широко използвани в областта на физиологичните и санитарните продукти, нефтохимикалите, медицината, храните, продуктите за лична хигиена, опаковките и др. Водоразтворимият катионен целулозен етер (CCE) се дължи на силното си сгъстяване способност, той се използва широко в ежедневните химикали, особено в шампоаните, и може да подобри разресването на косата след измиване с шампоан. В същото време, поради добрата си съвместимост, може да се използва в шампоани две в едно и всичко в едно. Освен това има добра перспектива за приложение и привлече вниманието на различни страни. В литературата се съобщава, че разтворите на целулозни производни проявяват поведение като нютонова течност, псевдопластична течност, тиксотропна течност и вискоеластична течност с увеличаване на концентрацията, но морфологията, реологията и факторите на влияние на катионния целулозен етер във воден разтвор са малко. доклади от изследвания. Тази статия се фокусира върху реологичното поведение на воден разтвор на целулоза, модифицирана с кватернерен амоний, за да предостави справка за практическо приложение.

1. Експериментална част

1.1 Суровини

Катионен целулозен етер (KG-30M, JR-30M, LR-30M); Продукт на Canada Dow Chemical Company, предоставен от Procter & Gamble Company Kobe R&D Center в Япония, измерен с елементен анализатор Vario EL (German Elemental Company), пробата. Съдържанието на азот е съответно 2,7%, 1,8%, 1,0% (плътността на заряда е 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, 0,7 Meq/g съответно) и е тестван от немски ALV-5000E лазерен инструмент за разсейване на светлина (LLS), измерено средното му молекулно тегло е около 1,64×106g/mol.

1.2 Приготвяне на разтвор

Пробата се пречиства чрез филтруване, диализа и сушене чрез замразяване. Претеглете съответно серия от три количествени проби и добавете стандартен буферен разтвор с pH 4,00, 6,86, 9,18, за да приготвите необходимата концентрация. За да се гарантира, че пробите са напълно разтворени, всички разтвори на пробите се поставят върху магнитна бъркалка за 48 часа преди тестването.

1.3 Измерване на разсейването на светлината

Използвайте LLS, за да измерите среднотегловното молекулно тегло на пробата в разреден воден разтвор, хидродинамичния радиус и средноквадратичния радиус на въртене, когато вторият коефициент на Вили и различните ъгли) и заключете, че този катионен целулозен етер е в водния разтвор чрез съотношението му.

1.4 Измерване на вискозитета и реологични изследвания

Концентрираният разтвор на CCE беше изследван с реометър Brookfield RVDV-III+ и беше изследвано влиянието на концентрацията, плътността на заряда и рН стойността върху реологичните свойства като вискозитета на пробата. При по-високи концентрации е необходимо да се изследва неговата тиксотропност.

2. Резултати и обсъждане

2.1 Изследване на разсейването на светлината

Поради специалната си молекулна структура е трудно да съществува под формата на единична молекула дори в добър разтворител, но под формата на определени стабилни мицели, клъстери или асоциации.

Когато разреденият воден разтвор (~0,1%) на CCE се наблюдава с поляризационен микроскоп, под фона на черното кръстосано ортогонално поле се появяват „звездни“ ярки петна и ярки ленти. Освен това се характеризира с разсейване на светлината, динамичен хидродинамичен радиус при различно рН и ъгли, средноквадратичен радиус на въртене и втори коефициент на Вили, получен от диаграмата на Бери, са изброени в табл. 1. Графиката на разпределението на функцията на хидродинамичния радиус, получена при концентрация 10-5, е предимно единичен пик, но разпределението е много широко (фиг. 1), което показва, че има асоциации на молекулярно ниво и големи агрегати в системата ; Има промени и стойностите на Rg/Rb са около 0,775, което показва, че формата на CCE в разтвора е близка до сферичната, но не е достатъчно правилна. Ефектът на pH върху Rb и Rg не е очевиден. Противойонът в буферния разтвор взаимодейства с CCE, за да екранира заряда на неговата странична верига и да я накара да се свие, но разликата варира в зависимост от вида на противойона. Измерването на разсейване на светлината на заредени полимери е податливо на взаимодействие на сила на дълги разстояния и външна намеса, така че има определени грешки и ограничения в характеризирането на LLS. Когато масовата част е по-голяма от 0,02%, има най-вече неразделни двойни пикове или дори множество пикове в диаграмата на Rh разпределение. С увеличаване на концентрацията, Rh също се увеличава, което показва, че повече макромолекули са свързани или дори агрегирани. Когато Cao et al. използва разсейване на светлината за изследване на съполимера на карбоксиметил целулоза и повърхностно активни макромери, имаше и неразделни двойни пикове, единият от които беше между 30 nm и 100 nm, представляващ образуването на мицели на молекулярно ниво, а другият пикът Rh е относително голям, който се счита за съвкупност, което е подобно на резултатите, определени в тази статия.

2.2 Изследване на реологичното поведение

2.2.1 Ефект от концентрацията:Измерете привидния вискозитет на разтвори KG-30M с различни концентрации при различни скорости на срязване и според логаритмичната форма на уравнението на степенния закон, предложено от Ostwald-Dewaele, когато масовата част не надвишава 0,7% и серия от прави линии с коефициенти на линейна корелация по-големи от 0,99. И когато концентрацията се увеличава, стойността на показателя на Нютон n намалява (всички по-малко от 1), показвайки очевидна псевдопластична течност. Задвижвани от силата на срязване, макромолекулните вериги започват да се разплитат и ориентират, така че вискозитетът намалява. Когато масовата част е по-голяма от 0,7%, коефициентът на линейна корелация на получената права линия намалява (около 0,98), а n започва да варира или дори да се покачва с увеличаване на концентрацията; когато масовата част достигне 3% (фиг. 2), таблицата Привидният вискозитет първо се увеличава и след това намалява с увеличаване на скоростта на срязване. Тази поредица от явления е различна от докладите за други анионни и катионни полимерни разтвори. Стойността на n се повишава, т.е. ненютоновото свойство е отслабено; Нютоновата течност е вискозна течност и междумолекулното приплъзване възниква под действието на напрежението на срязване и не може да бъде възстановено; ненютоновата течност съдържа възстановима еластична част и невъзстановима вискозна част. Под действието на напрежението на срязване възниква необратимо приплъзване между молекулите и в същото време, тъй като макромолекулите се разтягат и ориентират със срязване, се образува възстановима еластична част. Когато външната сила бъде премахната, макромолекулите се стремят да се върнат към първоначалната извита форма, така че стойността на n се повишава. Концентрацията продължава да се увеличава, за да образува мрежова структура. Когато напрежението на срязване е малко, то няма да бъде унищожено и ще настъпи само еластична деформация. По това време еластичността ще бъде относително повишена, вискозитетът ще бъде отслабен и стойността на n ще намалее; докато напрежението на срязване постепенно нараства по време на процеса на измерване, така че n Стойността варира. Когато масовата част достигне 3%, привидният вискозитет първо се увеличава и след това намалява, тъй като малкото срязване насърчава сблъсъка на макромолекули за образуване на големи агрегати, така че вискозитетът се повишава и напрежението на срязване продължава да разрушава агрегатите. , вискозитетът отново ще намалее.

При изследване на тиксотропията задайте скоростта (r/min), за да достигнете желаното y, увеличете скоростта на редовни интервали, докато достигне зададената стойност, и след това бързо намалете от максималната скорост обратно до първоначалната стойност, за да получите съответната Напрежението на срязване, неговата връзка със скоростта на срязване е показано на фиг. 3. Когато масовата част е по-малка от 2,5%, кривата нагоре и кривата надолу се припокриват напълно, но когато масовата фракция е 3%, двете линии не по-дълго припокриване и низходящата линия изостава, което показва тиксотропия.

Времевата зависимост на напрежението на срязване е известна като реологично съпротивление. Реологичното съпротивление е характерно поведение на вискоеластични течности и течности с тиксотропни структури. Установено е, че колкото по-голямо е y при същата масова част, толкова по-бързо r достига равновесие и зависимостта от времето е по-малка; при по-ниска масова фракция (<2%) CCE не показва реологична устойчивост. Когато масовата част се увеличи до 2,5%, тя показва силна зависимост от времето (фиг. 4) и са необходими около 10 минути за достигане на равновесие, докато при 3,0% времето за равновесие отнема 50 минути. Добрата тиксотропия на системата е благоприятна за практическо приложение.

2.2.2 Ефектът от плътността на заряда:избрана е логаритмичната форма на емпиричната формула на Спенсър-Дилън, в която нулевият вискозитет b е постоянен при същата концентрация и различна температура и нараства с увеличаването на концентрацията при същата температура. Съгласно уравнението на степенния закон, прието от Onogi през 1966 г., M е относителната молекулна маса на полимера, A и B са константи, а c е масовата част (%). Фиг．5 Трите криви имат очевидни точки на инфлексия около 0,6%, т.е. има критична масова част. Повече от 0,6%, вискозитетът при нулево срязване нараства бързо с увеличаването на концентрацията C. Кривите на трите проби с различна плътност на заряда са много близки. За разлика от това, когато масовата част е между 0,2% и 0,8%, вискозитетът при нулево срязване на LR пробата с най-малка плътност на заряда е най-голям, тъй като свързването на водородната връзка изисква определен контакт. Следователно, плътността на заряда е тясно свързана с това дали макромолекулите могат да бъдат подредени по подреден и компактен начин; чрез DSC тестване е установено, че LR има слаб пик на кристализация, което показва подходяща плътност на заряда, и вискозитетът при нулево срязване е по-висок при същата концентрация. Когато масовата част е по-малка от 0,2%, LR е най-малката, тъй като в разреден разтвор макромолекулите с ниска плътност на заряда е по-вероятно да образуват ориентация на намотка, така че вискозитетът при нулево срязване е нисък. Това има добро насочващо значение по отношение на ефективността на сгъстяване.

2.2.3 pH ефект: Фиг. 6 е резултатът, измерен при различно рН в диапазона от 0,05% до 2,5% масова фракция. Има точка на инфлексия около 0,45%, но трите криви почти се припокриват, което показва, че pH няма очевиден ефект върху вискозитета при нулево срязване, което е доста различно от чувствителността на анионния целулозен етер към pH.

3. Заключение

Разреденият воден разтвор KG-30M се изследва от LLS и полученото разпределение на хидродинамичния радиус е единичен пик. От ъгловата зависимост и съотношението Rg/Rb може да се заключи, че формата му е близка до сферична, но не достатъчно правилна. За разтворите на CCE с три плътности на заряда, вискозитетът се увеличава с увеличаването на концентрацията, но числото на преследване на Нютон n първо намалява, след това се колебае и дори се повишава; pH има малък ефект върху вискозитета и умерена плътност на заряда може да доведе до по-висок вискозитет.