Svojstva rastvora kationskog etra celuloze

Svojstva razrijeđenog rastvora kationskog celuloznog etera visoke gustine (KG-30M) pri različitim pH vrijednostima proučavana su instrumentom za lasersko raspršivanje, iz hidrodinamičkog radijusa (Rh) pod različitim uglovima, i srednjeg kvadratnog radijusa rotacije Rg Odnos prema Rh zaključuje da je njegov oblik nepravilan, ali blizu sfernog. Zatim su uz pomoć reometra detaljno proučavana tri koncentrisana otopina kationskih etera celuloze različite gustoće naboja, te je razmatran utjecaj koncentracije, pH vrijednosti i vlastite gustine naboja na reološka svojstva. Kako se koncentracija povećavala, Newtonov eksponent se prvo smanjivao, a zatim smanjivao. Dolazi do fluktuacije ili čak odskoka, a tiksotropno ponašanje se javlja pri 3% (maseni udio). Umjerena gustina punjenja je korisna za postizanje većeg viskoziteta pri nultom smicanju, a pH ima mali utjecaj na njegovu viskoznost.

Ključne riječi:kationski eter celuloze; morfologija; viskoznost nulte smicanja; reologija

Derivati ​​celuloze i njihovi modificirani funkcionalni polimeri našle su široku primjenu u oblastima fizioloških i sanitarnih proizvoda, petrokemije, medicine, hrane, proizvoda za ličnu njegu, ambalaže itd. ima široku primenu u svakodnevnim hemikalijama, posebno šamponima, i može poboljšati češljanje kose nakon pranja šamponom. Istovremeno, zbog svoje dobre kompatibilnosti, može se koristiti u šamponima dva u jednom i sve u jednom. Takođe ima dobre izglede za primjenu i privukao je pažnju raznih zemalja. U literaturi je objavljeno da otopine derivata celuloze pokazuju ponašanja poput Newtonove tekućine, pseudoplastične tekućine, tiksotropne tekućine i viskoelastične tekućine s povećanjem koncentracije, ali morfologija, reologija i faktori utjecaja kationskog etra celuloze u vodenom rastvoru Malo je istraživački izvještaji. Ovaj rad se fokusira na reološko ponašanje vodene otopine celuloze modificirane kvaternarnim amonijumom, kako bi se pružila referenca za praktičnu primjenu.

1. Eksperimentalni dio

1.1 Sirovine

Kationski etar celuloze (KG-30M, JR-30M, LR-30M); Kanadski proizvod Dow Chemical Company, obezbeđen od strane Procter & Gamble Company Kobe R&D centra u Japanu, izmeren Vario EL elementarnim analizatorom (German Elemental Company), uzorak Sadržaj azota je 2,7%, 1,8%, 1,0% respektivno (gustina punjenja je 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, 0,7 Meq/g respektivno), a testiran je na njemačkom instrumentu za raspršivanje laserskog svjetla ALV-5000E (LLS) i izmjerena je njegova prosječna molekularna težina oko 1,64×106g/mol.

1.2 Priprema rastvora

Uzorak je pročišćen filtracijom, dijalizom i sušenjem zamrzavanjem. Izvažite seriju od tri kvantitativna uzorka i dodajte standardni puferski rastvor sa pH 4,00, 6,86, 9,18 da biste pripremili potrebnu koncentraciju. Kako bi se osiguralo da su uzorci potpuno otopljeni, svi rastvori uzoraka su stavljeni na magnetnu mješalicu 48 sati prije testiranja.

1.3 Mjerenje raspršenja svjetlosti

Koristite LLS za mjerenje prosječne masene molekulske težine uzorka u razrijeđenoj vodenoj otopini, hidrodinamičkog radijusa i srednjeg kvadratnog polumjera rotacije kada je drugi Villi koeficijent i različiti uglovi,) i zaključite da je ovaj kationski eter celuloze u vodeni rastvor prema statusu omjera.

1.4 Mjerenje viskoziteta i reološka ispitivanja

Koncentrovani rastvor CCE je proučavan Brookfield RVDV-III+ reometrom, a istražen je uticaj koncentracije, gustine naelektrisanja i pH vrednosti na reološka svojstva kao što je viskoznost uzorka. Pri većim koncentracijama potrebno je ispitati njegovu tiksotropiju.

2. Rezultati i diskusija

2.1 Istraživanje raspršenja svjetlosti

Zbog svoje posebne molekularne strukture, teško je postojati u obliku jedne molekule čak iu dobrom otapalu, već u obliku određenih stabilnih micela, klastera ili asocijacija.

Kada je razrijeđena vodena otopina (~o.1%) CCE promatrana polarizirajućim mikroskopom, ispod pozadine crnog križnog ortogonalnog polja, pojavile su se svijetle “zvjezdaste” mrlje i svijetle trake. Dalje ga karakterizira rasipanje svjetlosti, dinamički hidrodinamički radijus pri različitim pH i uglovima, srednji kvadratni polumjer rotacije i drugi Villi koeficijent dobijen iz Berryjevog dijagrama navedeni su u Tab. 1. Grafikon distribucije funkcije hidrodinamičkog radijusa dobijen pri koncentraciji od 10-5 je uglavnom jedan vrh, ali je raspodjela vrlo široka (slika 1), što ukazuje da postoje asocijacije na molekularnom nivou i veliki agregati u sistemu ; Postoje promjene, a vrijednosti Rg/Rb su oko 0,775, što ukazuje da je oblik CCE u otopini blizu sfernog, ali nedovoljno pravilnog. Uticaj pH na Rb i Rg nije očigledan. Protujon u puferskom rastvoru stupa u interakciju sa CCE kako bi zaštitio naboj na svom bočnom lancu i učinio ga da se skupi, ali razlika varira u zavisnosti od vrste kontrajona. Mjerenje raspršenja svjetlosti nabijenih polimera podložno je interakciji sile na daljinu i vanjskim smetnjama, tako da postoje određene greške i ograničenja u LLS karakterizaciji. Kada je maseni udio veći od 0,02%, u dijagramu Rh raspodjele uglavnom postoje neodvojivi dvostruki vrhovi ili čak višestruki pikovi. Kako koncentracija raste, Rh se također povećava, što ukazuje da je više makromolekula povezano ili čak agregirano. Kada su Cao et al. koristila raspršivanje svjetlosti za proučavanje kopolimera karboksimetil celuloze i površinski aktivnih makromera, postojali su i neodvojivi dvostruki vrhovi, od kojih je jedan bio između 30nm i 100nm, koji predstavlja formiranje micela na molekularnom nivou, a drugi pik Rh je relativno velika, koja se smatra agregatom, što je slično rezultatima utvrđenim u ovom radu.

2.2 Istraživanje reološkog ponašanja

2.2.1 Učinak koncentracije:Izmjeriti prividnu viskoznost otopina KG-30M sa različitim koncentracijama pri različitim brzinama smicanja, i prema logaritamskom obliku jednadžbe potencijskog zakona koju je predložio Ostwald-Dewaele, kada maseni udio ne prelazi 0,7% i niz pravih linija sa koeficijentima linearne korelacije većim od 0,99. A kako koncentracija raste, vrijednost Njutnovog eksponenta n opada (sve manje od 1), pokazujući očiglednu pseudoplastičnu tekućinu. Vođeni posmičnom silom, makromolekularni lanci počinju da se raspliću i orijentišu, pa se viskozitet smanjuje. Kada je maseni udio veći od 0,7%, koeficijent linearne korelacije dobijene prave linije opada (oko 0,98), a n počinje fluktuirati ili čak rasti s povećanjem koncentracije; kada maseni udio dostigne 3% (slika 2), tabela Prividna viskoznost prvo raste, a zatim opada sa povećanjem brzine smicanja. Ova serija fenomena razlikuje se od izvještaja o drugim anjonskim i kationskim polimernim otopinama. Vrijednost n raste, to jest, nenjutnovsko svojstvo je oslabljeno; Njutnovska tečnost je viskozna tečnost, a međumolekulsko klizanje nastaje pod dejstvom smičnog naprezanja i ne može se povratiti; nenjutnovska tekućina sadrži elastični dio koji se može povratiti i nenadoknadivi viskozni dio. Pod djelovanjem posmičnog naprezanja dolazi do nepovratnog klizanja između molekula, a u isto vrijeme, zbog rastezanja i orijentacije makromolekula smicanjem, nastaje povratni elastični dio. Kada se vanjska sila ukloni, makromolekuli imaju tendenciju da se vrate u prvobitni uvijeni oblik, tako da vrijednost n raste. Koncentracija nastavlja da raste i formira mrežnu strukturu. Kada je posmično naprezanje malo, ono se neće uništiti, već će se pojaviti samo elastična deformacija. U ovom trenutku, elastičnost će biti relativno povećana, viskozitet će biti oslabljen, a vrijednost n će se smanjiti; dok se napon na smicanje postepeno povećava tokom procesa mjerenja, tako da n Vrijednost fluktuira. Kada maseni udio dostigne 3%, prividni viskozitet se prvo povećava, a zatim smanjuje, jer mali smicanje pospješuje sudar makromolekula u formiranje velikih agregata, tako da viskozitet raste, a napon smicanja nastavlja da razbija agregate. , viskozitet će se ponovo smanjiti.

U istraživanju tiksotropije podesite brzinu (r/min) da dostigne željeni y, povećavajte brzinu u pravilnim intervalima dok ne dostigne zadatu vrijednost, a zatim brzo spustite sa maksimalne brzine natrag na početnu vrijednost kako biste dobili odgovarajuću Napon smicanja, njegov odnos sa brzinom smicanja prikazan je na slici 3. Kada je maseni udio manji od 2,5%, krivulja naviše i naniže se potpuno preklapaju, ali kada je maseni udio 3%, dvije linije br. duže preklapanje, a silazna linija zaostaje, što ukazuje na tiksotropiju.

Vremenska ovisnost posmičnog naprezanja poznata je kao reološka otpornost. Reološka otpornost je karakteristično ponašanje viskoelastičnih tekućina i tekućina s tiksotropnom strukturom. Utvrđeno je da što je veći y na istom masenom udjelu, to brže r postiže ravnotežu, a vremenska ovisnost je manja; pri nižem masenom udjelu (<2%), CCE ne pokazuje reološku otpornost. Kada se maseni udio poveća na 2,5%, pokazuje jaku vremensku ovisnost (slika 4), i potrebno je oko 10 minuta da se postigne ravnoteža, dok je kod 3,0% vrijeme ravnoteže potrebno 50 minuta. Dobra tiksotropija sistema pogoduje praktičnoj primeni.

2.2.2 Efekat gustine naelektrisanja:odabran je logaritamski oblik empirijske formule Spencer-Dillon, u kojoj je viskozitet b nulte rezanja konstantan pri istoj koncentraciji i različitoj temperaturi, a raste s porastom koncentracije na istoj temperaturi. Prema jednačini potencijskog zakona koju je usvojio Onogi 1966. godine, M je relativna molekulska masa polimera, A i B su konstante, a c je maseni udio (%). Fig．5 Tri krive imaju očigledne tačke pregiba oko 0,6%, odnosno postoji udio kritične mase. Više od 0,6%, viskoznost nultog smicanja brzo raste s povećanjem koncentracije C. Krive tri uzorka s različitim gustoćama naboja su vrlo bliske. Nasuprot tome, kada je maseni udio između 0,2% i 0,8%, viskoznost nulte rezanja LR uzorka s najmanjom gustinom naboja je najveća, jer povezivanje vodonične veze zahtijeva određeni kontakt. Stoga je gustina naboja usko povezana s tim da li se makromolekule mogu rasporediti na uredan i kompaktan način; DSC testiranjem je utvrđeno da LR ima slab kristalizacijski vrh, što ukazuje na odgovarajuću gustoću naboja, a viskozitet nultog smicanja je veći pri istoj koncentraciji. Kada je maseni udio manji od 0,2%, LR je najmanji, jer je u razrijeđenoj otopini veća vjerovatnoća da će makromolekule sa niskom gustinom naboja formirati orijentaciju zavojnice, tako da je viskozitet nultog smicanja nizak. Ovo ima dobar vodeći značaj u smislu performansi zgušnjavanja.

2.2.3 pH efekat: Slika 6 je rezultat izmjeren pri različitim pH u rasponu od 0,05% do 2,5% masenog udjela. Postoji tačka pregiba oko 0,45%, ali tri krivulje se gotovo preklapaju, što ukazuje da pH nema očigledan uticaj na viskozitet nultog smicanja, koji se prilično razlikuje od osjetljivosti anjonskog etra celuloze na pH.

3. Zaključak

LLS proučava razrijeđenu vodenu otopinu KG-30M, a dobijena hidrodinamička raspodjela radijusa je jedan vrh. Iz zavisnosti od ugla i odnosa Rg/Rb može se zaključiti da je njegov oblik blizak sfernom, ali nedovoljno pravilan. Za CCE rješenja sa tri gustoće naboja, viskoznost raste s povećanjem koncentracije, ali Newtonov lovni broj n prvo opada, zatim fluktuira, pa čak i raste; pH ima mali utjecaj na viskozitet, a umjerena gustina naboja može postići veći viskozitet.