Kakav je odnos između DS-a i molekularne težine natrijum-CMC-a

Natrijum-karboksimetil celuloza (CMC) je svestran polimer koji se rađaju u vodi izveden iz celuloze, prirodno nastao polisaharid koji se nalazi u zidovima biljaka. Široko se koristi u raznim industrijama, uključujući hranu, lijekove, kozmetiku, tekstil i bušenje nafte, zbog njegovih jedinstvenih svojstava i funkcionalnosti.

Struktura i svojstva natrijuma CMC-a:

CMC se sintetizira hemijskim modifikacijom celuloze, u kojoj se karboksimetil grupe (-ch2-cooh) uvode na naplatu celuloze kroz reakcije etijefikacije ili esterifikacije. Stupanj zamjene (DS) odnosi se na prosječni broj karboksimetila po jedinici glukoze u lancu celuloze. DS vrijednosti obično se kreću od 0,2 do 1,5, ovisno o uvjetima sinteze i željenim svojstvima CMC-a.

Molekularna težina CMC-a odnosi se na prosječnu veličinu polimerskih lanaca i može značajno varirati ovisno o faktorima kao što su izvor celuloze, metode sinteze, reakcijama i tehnikama pročišćavanja. Molekularna težina često karakteriziraju parametri kao što su molekularna težina molekularne težine brojeva (MN), molekularna težina u težini (MW) i viskoznosti-prosječna molekularna težina (MV).

Sinteza natrijuma CMC-a:

Sinteza CMC-a obično uključuje reakciju celuloze natrijum hidroksidom (NAOH) i hloroocetičkom kiselinom (CLCH2COOH) ili natrijum soli (naclch2cooh). Reakcija se nastavlja nukleofilnom supstitucijom, gdje hidroksilne grupe (-OH) na celuloznom okosnicu reagiraju sa hloroacetil grupama (-clch2cooh) za formiranje karboksimetila (-Ch2-cooh).

DS od CMC-a može se kontrolirati podešavanjem molarni omjer kloroocenske kiseline do celuloze, vremena reakcije, temperaturne, pH i druge parametre tokom sinteze. Veće DS vrijednosti obično se postižu sa većim koncentracijama hloroocetne kiseline i dužih vremena reakcije.

Na molekularna težina CMC-a utječe različiti faktori, uključujući molekularnu raspodjelu težine početnog celuloznog materijala, opseg degradacije tijekom sinteze i stupnju polimerizacije CMC lanca. Različite metode sinteze i uslovi reakcije mogu rezultirati CMC-om s različitim raspodjelom molekularne težine i prosječne veličine.

Odnos između DS-a i molekularne težine:

Odnos između stupnja supstitucije (DS) i molekularne težine natrijum-karboksimetil celuloze (CMC) je složen i pod utjecajem više faktora koji se odnose na CMC sintezu, strukturu i svojstva.

1. Uticaj DS na molekularnu težinu:
   • Veće DS vrijednosti općenito odgovaraju nižim molekularnim težinama CMC-a. To je zato što veće DS vrijednosti ukazuju na veći stupanj zamjene karboksimetila na oblici celuloznog okosnica, što dovodi do kraćih polimernih lanaca i u prosjeku donji molekularni utezi u prosjeku.
   • Uvođenje karboksimetila narušava intermolekularno vezanje vodonika između lanaca celuloze, što rezultira usmjeravanjem lanca i fragmentacije tijekom sinteze. Ovaj postupak razgradnje može dovesti do smanjenja molekularne težine CMC-a, posebno na većim vrijednostima DS-a i opsežnije reakcije.
   • Suprotno tome, niže DS vrijednosti povezane su s dužim polimernim lancima i višim molekularnim težinama u prosjeku. To je zato što rezultira nižim stupnjevima zamjene u manjim karboksimetilima po glukoznoj jedinici, omogućavajući duže segmente nemodificiranih celulozni lanaca da ostanu netaknuti.
2. Uticaj molekularne težine na DS:
   • Molekularna težina CMC-a može utjecati na stepen zamjene postignutog tokom sinteze. Veće molekularne težine celuloze mogu pružiti veća reaktivna mjesta za reakcije karboksiylitilacije, omogućavajući veći stepen zamjene u određenim uvjetima.
   • Međutim, pretjerano visoke molekularne težine celuloze također mogu ometati dostupnost hidroksilnih grupa za supstitucijske reakcije, što dovodi do nepotpunog ili neefikasnog karboksimetilacije i donje DS vrijednosti.
   • Uz to, raspodjela molekularne težine početnog materijala za celulozu može utjecati na distribuciju DS vrijednosti u rezultirajući CMC proizvod. Heterogenosti u molekularnoj težini mogu rezultirati varijacijama reaktivnosti i efikasnosti zamjene tijekom sinteze, što dovodi do šireg raspona DS vrijednosti u završnom CMC proizvodu.

Uticaj DS i molekularne težine na CMC svojstva i aplikacije:

1. Reološka svojstva:
   • Stupanj zamjene (DS) i molekularne težine CMC-a može utjecati na njena reološka svojstva, uključujući viskoznost, smicanje ponašanja razmaženja i gel formiranje.
   • Veće vrijednosti DS-a uglavnom rezultiraju nižim viskostima i više pseudoplastičnim (smičnim stanjivim) ponašanjem zbog kraćih polimernih lanaca i smanjene molekularne zapletene.
   • Suprotno tome, niže DS vrijednosti i veće molekularne težine obično povećavaju viskoznost i poboljšaju pseudoplastično ponašanje CMC rješenja, što dovodi do poboljšanih svojstava zadebljanja i ovjesa.
2. Rastvorljivost na vodi i oticanje:
   • CMC sa većim DS vrijednostima ima tendenciju da izloži veću rastvorljivost vode i brže stope hidratacije zbog veće koncentracije hidrofilnih karboksiylboxyl grupe duž polimernih lanaca.
   • Međutim, pretjerano visoke DS vrijednosti mogu rezultirati i smanjenim rastvorljivošću vode i povećanim gelima, posebno u visokim koncentracijama ili u prisustvu višenatentnih kationa.
   • Molekularna težina CMC-a može utjecati na njeno svojstvo natečenosti i svojstva zadržavanja vode. Veće molekularne težine općenito rezultiraju sporijim stopama hidratacije i većim kapacitetom za zadržavanje vode, koji mogu biti povoljan u aplikacijama koji zahtijevaju kontinuirano izdanje ili kontrolu vlage.
3. Svojstva formiranja i barijera filmova:
   • CMC filmovi formirani iz rješenja ili disperzije pokazuju svojstva barijera protiv kisika, vlage i drugih plinova, čineći ih pogodnim za aplikacije za pakiranje i premazivanje.
   • DS i molekularna težina CMC-a mogu utjecati na mehaničku čvrstoću, fleksibilnost i propusnost nastalih filmova. Veće vrijednosti DS-a i niže molekularne težine mogu dovesti do filmova s ​​nižom zateznom čvrstoćom i većom propusnošću zbog kraćih polimernih lanaca i smanjenih intermolekularnih interakcija.
4. Aplikacije u raznim industrijama:
   • CMC s različitim DS vrijednostima i molekularne težine pronalaze aplikacije u raznim industrijama, uključujući hranu, lijekove, kozmetiku, tekstil i bušenje ulja.
   • U prehrambenoj industriji CMC se koristi kao zgušnjivač, stabilizator i emulgator u proizvodima poput umaka, preljeva i pića. Izbor CMC razreda ovisi o željenoj teksturi, offeelu ustima i stabilnoj zahtjevima konačnog proizvoda.
   • U Farmaceutskim formulacijama CMC služi kao veziva za oblikovanje, dezintegriranje i formiranje filma u tabletima, kapsulama i oralnim suspenzijima. DS i molekularna težina CMC-a mogu utjecati na kinetiku za oslobađanje droge, bioraspoloživost i poštivanje pacijenta.
   • U kozmetičkoj industriji, CMC se koristi u kreme, losionima i proizvodima za njegu kose kao zgušnjivač, stabilizator i hidratantnost. Izbor CMC razreda ovisi o faktorima kao što su tekstura, proširivost i senzorni atributi.
   • U industriji bušenja nafte CMC se koristi u bušim tekućinama kao viskosifikatoru, sredstvo za kontrolu gubitka tekućine i inhibitoru škriljaca. DS i molekularna težina CMC-a mogu utjecati na njegove performanse u održavanju bušotine stabilnosti, kontrolirajući gubitak tekućine i inhibiraju oticanje gline.

Zaključak:

Odnos između stupnja supstitucije (DS) i molekularne težine natrijum-karboksimetil celuloze (CMC) je složen i pod utjecajem više faktora koji se odnose na CMC sintezu, strukturu i svojstva. Veće DS vrijednosti općenito odgovaraju nižim molekularnim težinama CMC-a, dok niže DS vrijednosti i veće molekularne težine imaju tendenciju da u prosjeku rezultiraju dužim polimernim lancima i višim molekularnim utezima u prosjeku. Razumijevanje ovog odnosa je presudno za optimizaciju svojstava i performansi CMC-a u različitim aplikacijama u različitim industrijama, uključujući hranu, farmaceutske, kozmetike, tekstil i bušenje ulja. Daljnji napori za istraživanje i razvoj potrebni su za razjašnjenje osnovnih mehanizama i optimiziranje sinteze i karakterizacije CMC-a sa prilagođenim DS i molekularne distribucije težine za određene aplikacije.