Propietats de la solució d'èter de cel·lulosa catiònic

Les propietats de la solució diluïda d'un èter de cel·lulosa catiònic d'alta densitat de càrrega (KG-30M) a diferents valors de pH es van estudiar amb un instrument de dispersió làser, a partir del radi hidrodinàmic (Rh) a diferents angles i el radi quadrat mitjà de rotació. Rg La relació amb Rh dedueix que la seva forma és irregular però propera a l'esfèrica. A continuació, amb l'ajuda del reòmetre, es van estudiar detalladament tres solucions concentrades d'èters catiònics de cel·lulosa amb diferents densitats de càrrega, i es va parlar de la influència de la concentració, el valor del pH i la seva pròpia densitat de càrrega en les seves propietats reològiques. A mesura que augmentava la concentració, primer va disminuir l'exponent de Newton i després va disminuir. Es produeix una fluctuació o fins i tot un rebot i un comportament tixotròpic es produeix al 3% (fracció de massa). Una densitat de càrrega moderada és beneficiosa per obtenir una viscositat de cisalla zero més alta, i el pH té poc efecte sobre la seva viscositat.

Paraules clau:èter catiònic de cel·lulosa; morfologia; viscositat de cisalla zero; reologia

Els derivats de la cel·lulosa i els seus polímers funcionals modificats s'han utilitzat àmpliament en els camps de productes fisiològics i sanitaris, petroquímics, medicina, alimentació, productes per a la cura personal, envasos, etc. L'èter de cel·lulosa catiònic soluble en aigua (CCE) es deu al seu fort espessiment. capacitat, s'utilitza àmpliament en productes químics diaris, especialment xampús, i pot millorar la pentinat del cabell després del xampú. Al mateix temps, per la seva bona compatibilitat, es pot utilitzar en xampús dos en un i tot en un. També té una bona perspectiva d'aplicació i ha cridat l'atenció de diversos països. S'ha informat a la literatura que les solucions derivades de la cel·lulosa presenten comportaments com el fluid newtonià, el líquid pseudoplàstic, el líquid tixotròpic i el líquid viscoelàstic amb l'augment de la concentració, però la morfologia, la reologia i els factors d'influència de l'èter catiònic de cel·lulosa en solució aquosa són pocs. informes de recerca. Aquest article se centra en el comportament reològic de la solució aquosa de cel·lulosa modificada amb amoni quaternari, per tal de proporcionar una referència per a l'aplicació pràctica.

1. Part experimental

1.1 Matèries primeres

Èter de cel·lulosa catiònic (KG-30M, JR-30M, LR-30M); Producte de Canada Dow Chemical Company, proporcionat per Procter & Gamble Company Kobe R+D Center al Japó, mesurat per l'analitzador elemental Vario EL (German Elemental Company), la mostra El contingut de nitrogen és del 2,7%, 1,8%, 1,0% respectivament (la densitat de càrrega és 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, 0,7 Meq/g respectivament) i està provat per l'instrument de dispersió de llum làser alemany ALV-5000E (LLS) mesura que el seu pes molecular mitjà és d'uns 1,64×106 g/mol.

1.2 Preparació de la solució

La mostra es va purificar per filtració, diàlisi i liofilització. Pesar una sèrie de tres mostres quantitatives respectivament i afegir una solució tampó estàndard amb pH 4,00, 6,86, 9,18 per preparar la concentració requerida. Per garantir que les mostres es dissolguessin completament, totes les solucions de mostres es van col·locar en un agitador magnètic durant 48 hores abans de la prova.

1.3 Mesura de la dispersió de la llum

Utilitzeu LLS per mesurar el pes molecular mitjà de la mostra en solució aquosa diluïda, el radi hidrodinàmic i el radi quadrat mitjà de rotació quan el segon coeficient de Villi i diferents angles, i deduïu que aquest èter de cel·lulosa catiònic es troba en la solució aquosa pel seu estat de relació.

1.4 Mesura de viscositat i investigació reològica

La solució concentrada de CCE es va estudiar pel reòmetre Brookfield RVDV-III+ i es va investigar la influència de la concentració, la densitat de càrrega i el valor del pH en propietats reològiques com la viscositat de la mostra. A concentracions més altes, cal investigar la seva tixotropia.

2. Resultats i discussió

2.1 Recerca sobre la dispersió de la llum

A causa de la seva estructura molecular especial, és difícil d'existir en forma d'una sola molècula fins i tot en un bon dissolvent, però en forma de determinades micel·les, cúmuls o associacions estables.

Quan es va observar la solució aquosa diluïda (~ o,1%) de CCE amb un microscopi polaritzador, sota el fons del camp ortogonal de creu negra, van aparèixer punts brillants "estrellats" i barres brillants. A més, es caracteritza per la dispersió de la llum, el radi hidrodinàmic dinàmic a diferents pH i angles, el radi quadrat mitjà de rotació i el segon coeficient de Villi obtingut del diagrama de Berry s'enumeren a la pestanya. 1. La gràfica de distribució de la funció de radi hidrodinàmica obtinguda a una concentració de 10-5 és principalment un pic únic, però la distribució és molt àmplia (Fig. 1), cosa que indica que hi ha associacions a nivell molecular i grans agregats al sistema. ; Hi ha canvis i els valors Rg/Rb són al voltant de 0,775, cosa que indica que la forma de CCE en solució és propera a l'esfèrica, però no prou regular. L'efecte del pH sobre Rb i Rg no és obvi. El contraió de la solució tampó interactua amb CCE per protegir la càrrega de la seva cadena lateral i fer-la reduir, però la diferència varia segons el tipus de contraió. La mesura de la dispersió de la llum dels polímers carregats és susceptible a la interacció de força a llarg abast i a la interferència externa, de manera que hi ha certs errors i limitacions en la caracterització de LLS. Quan la fracció de massa és superior al 0,02%, hi ha majoritàriament pics dobles inseparables o fins i tot pics múltiples al diagrama de distribució Rh. A mesura que augmenta la concentració, també augmenta el Rh, la qual cosa indica que hi ha més macromolècules associades o fins i tot agregades. Quan Cao et al. va utilitzar la dispersió de la llum per estudiar el copolímer de carboximetil cel·lulosa i macròmers tensioactius, també hi havia pics dobles inseparables, un dels quals estava entre 30 nm i 100 nm, que representava la formació de micel·les a nivell molecular, i l'altre. El pic Rh és relativament gran, que es considera un agregat, que és similar als resultats determinats en aquest article.

2.2 Recerca sobre el comportament reològic

2.2.1 Efecte de la concentració:Mesureu la viscositat aparent de les solucions KG-30M amb diferents concentracions a diferents velocitats de cisalla, i segons la forma logarítmica de l'equació de la llei de potència proposada per Ostwald-Dewaele, quan la fracció de massa no supera el 0,7%, i una sèrie de línies rectes. amb coeficients de correlació lineal superiors a 0,99 es van obtenir. I a mesura que augmenta la concentració, el valor de l'exponent de Newton n disminueix (tot menys d'1), mostrant un líquid pseudoplàstic evident. Impulsades per la força de cisalla, les cadenes macromoleculars comencen a desenredar-se i orientar-se, de manera que la viscositat disminueix. Quan la fracció de massa és superior al 0,7%, el coeficient de correlació lineal de la recta obtinguda disminueix (uns 0,98) i n comença a fluctuar o fins i tot augmentar amb l'augment de la concentració; quan la fracció de massa arriba al 3% (Fig. 2), la taula La viscositat aparent augmenta primer i després disminueix amb l'augment de la velocitat de cisalla. Aquesta sèrie de fenòmens és diferent dels informes d'altres solucions de polímers aniònics i catiònics. El valor n augmenta, és a dir, la propietat no newtoniana es debilita; El fluid newtonià és un líquid viscós, i el lliscament intermolecular es produeix sota l'acció de l'esforç de cisalla, i no es pot recuperar; El fluid no newtonià conté una part elàstica recuperable i una part viscosa irrecuperable. Sota l'acció de l'esforç de cisalla, es produeix el lliscament irreversible entre molècules i, al mateix temps, com que les macromolècules s'estiren i s'orienten amb la cisalla, es forma una part elàstica recuperable. Quan s'elimina la força externa, les macromolècules tendeixen a tornar a la forma ondulada original, de manera que el valor de n augmenta. La concentració continua augmentant per formar una estructura de xarxa. Quan la tensió de tall és petita, no es destruirà i només es produirà una deformació elàstica. En aquest moment, l'elasticitat augmentarà relativament, la viscositat es debilitarà i el valor de n disminuirà; mentre que la tensió de cisalla augmenta gradualment durant el procés de mesura, de manera que n El valor fluctua. Quan la fracció de massa arriba al 3%, la viscositat aparent augmenta primer i després disminueix, perquè la petita cisalla afavoreix la col·lisió de macromolècules per formar grans agregats, de manera que la viscositat augmenta i la tensió de cisalla continua trencant els agregats. , la viscositat tornarà a disminuir.

En la investigació de la tixotropia, configureu la velocitat (r/min) per assolir la y desitjada, augmenteu la velocitat a intervals regulars fins que assoleixi el valor establert i, a continuació, baixeu ràpidament de la velocitat màxima al valor inicial per obtenir el corresponent. L'esforç de tall, la seva relació amb la velocitat de cisalla es mostra a la figura 3. Quan la fracció de massa és inferior al 2,5%, la corba ascendent i la corba descendent se superposen completament, però quan la fracció de massa és del 3%, les dues línies no superposició més llarga i la línia descendent queda enrere, indicant tixotropia.

La dependència temporal de l'esforç de cisalla es coneix com a resistència reològica. La resistència reològica és un comportament característic de líquids viscoelàstics i líquids amb estructures tixotròpiques. Es troba que com més gran és y a la mateixa fracció de massa, més ràpid r arriba a l'equilibri i la dependència del temps és menor; a una fracció de massa inferior (<2%), el CCE no mostra resistència reològica. Quan la fracció de massa augmenta fins al 2,5%, mostra una forta dependència del temps (Fig. 4), i es triga uns 10 minuts a arribar a l'equilibri, mentre que al 3,0%, el temps d'equilibri triga 50 minuts. La bona tixotropia del sistema ha propiciat l'aplicació pràctica.

2.2.2 L'efecte de la densitat de càrrega:es selecciona la forma logarítmica de la fórmula empírica de Spencer-Dillon, en la qual la viscositat de tall zero, b és constant a la mateixa concentració i temperatura diferent, i augmenta amb l'augment de la concentració a la mateixa temperatura. Segons l'equació de la llei de potència adoptada per Onogi el 1966, M és la massa molecular relativa del polímer, A i B són constants i c és la fracció de massa (%). Fig．5 Les tres corbes tenen punts d'inflexió evidents al voltant del 0,6%, és a dir, hi ha una fracció de massa crítica. Més del 0,6%, la viscositat de cisalla zero augmenta ràpidament amb l'augment de la concentració C. Les corbes de les tres mostres amb diferents densitats de càrrega són molt properes. En canvi, quan la fracció de massa està entre el 0,2% i el 0,8%, la viscositat de tall zero de la mostra LR amb la densitat de càrrega més petita és la més gran, perquè l'associació d'enllaç d'hidrogen requereix un cert contacte. Per tant, la densitat de càrrega està molt relacionada amb si les macromolècules es poden disposar d'una manera ordenada i compacta; mitjançant les proves DSC, es troba que LR té un pic de cristal·lització feble, que indica una densitat de càrrega adequada i la viscositat de cisalla zero és més alta a la mateixa concentració. Quan la fracció de massa és inferior al 0,2%, LR és la més petita, perquè en solució diluïda, les macromolècules amb baixa densitat de càrrega tenen més probabilitats de formar una orientació de bobina, de manera que la viscositat de cisalla zero és baixa. Això té una bona importància orientadora pel que fa al rendiment d'engrossiment.

2.2.3 Efecte del pH: La figura 6 és el resultat mesurat a pH diferent dins del rang de fracció de massa del 0,05% al ​​2,5%. Hi ha un punt d'inflexió al voltant del 0,45%, però les tres corbes gairebé se superposen, cosa que indica que el pH no té cap efecte evident sobre la viscositat de cisalla zero, que és força diferent de la sensibilitat de l'èter aniònic de cel·lulosa al pH.

3. Conclusió

La solució aquosa diluïda KG-30M s'estudia per LLS, i la distribució del radi hidrodinàmic obtinguda és un únic pic. A partir de la dependència de l'angle i la relació Rg/Rb, es pot inferir que la seva forma és propera a l'esfèrica, però no prou regular. Per a les solucions CCE amb tres densitats de càrrega, la viscositat augmenta amb l'augment de la concentració, però el nombre de caça de Newton n primer disminueix, després fluctua i fins i tot augmenta; El pH té poc efecte sobre la viscositat i una densitat de càrrega moderada pot obtenir una viscositat més alta.