Quina relació hi ha entre el DS i el pes molecular del CMC de sodi

La carboximetil cel·lulosa sòdica (CMC) és un polímer soluble en aigua versàtil derivat de la cel·lulosa, un polisacàrid natural que es troba a les parets cel·lulars de les plantes. S'utilitza àmpliament en diverses indústries, com ara alimentació, farmacèutica, cosmètica, tèxtil i perforació de petroli, a causa de les seves propietats i funcionalitats úniques.

Estructura i propietats del sodi CMC:

La CMC es sintetitza mitjançant la modificació química de la cel·lulosa, on els grups carboximetil (-CH2-COOH) s'introdueixen a la columna vertebral de la cel·lulosa mitjançant reaccions d'eterificació o esterificació. El grau de substitució (DS) fa referència al nombre mitjà de grups carboximetil per unitat de glucosa a la cadena de cel·lulosa. Els valors de DS solen oscil·lar entre 0,2 i 1,5, depenent de les condicions de síntesi i les propietats desitjades del CMC.

El pes molecular de CMC fa referència a la mida mitjana de les cadenes de polímer i pot variar significativament en funció de factors com la font de cel·lulosa, el mètode de síntesi, les condicions de reacció i les tècniques de purificació. El pes molecular es caracteritza sovint per paràmetres com el pes molecular mitjà en nombre (Mn), el pes molecular mitjà en pes (Mw) i el pes molecular mitjà de viscositat (Mv).

Síntesi de CMC de sodi:

La síntesi de CMC normalment implica la reacció de la cel·lulosa amb hidròxid de sodi (NaOH) i àcid cloroacètic (ClCH2COOH) o la seva sal de sodi (NaClCH2COOH). La reacció transcorre per substitució nucleòfila, on els grups hidroxil (-OH) de la columna vertebral de la cel·lulosa reaccionen amb els grups cloroacetil (-ClCH2COOH) per formar grups carboximetil (-CH2-COOH).

El DS de CMC es pot controlar ajustant la relació molar de l'àcid cloroacètic a la cel·lulosa, el temps de reacció, la temperatura, el pH i altres paràmetres durant la síntesi. Els valors de DS més alts s'aconsegueixen normalment amb concentracions més altes d'àcid cloroacètic i temps de reacció més llargs.

El pes molecular de CMC està influenciat per diversos factors, inclosa la distribució del pes molecular del material de cel·lulosa inicial, l'abast de la degradació durant la síntesi i el grau de polimerització de les cadenes de CMC. Diferents mètodes de síntesi i condicions de reacció poden donar lloc a CMC amb diferents distribucions de pes molecular i mides mitjanes.

Relació entre la SD i el pes molecular:

La relació entre el grau de substitució (DS) i el pes molecular de la carboximetil cel·lulosa sòdica (CMC) és complexa i està influenciada per múltiples factors relacionats amb la síntesi, l'estructura i les propietats de CMC.

1. Efecte del DS sobre el pes molecular:
   • Els valors de DS més alts corresponen generalment a pesos moleculars més baixos de CMC. Això es deu al fet que els valors de DS més alts indiquen un major grau de substitució de grups carboximetil a la columna vertebral de la cel·lulosa, donant lloc a cadenes de polímers més curtes i pesos moleculars més baixos de mitjana.
   • La introducció de grups carboximetil altera els enllaços d'hidrogen intermoleculars entre cadenes de cel·lulosa, donant lloc a una escissió i fragmentació de la cadena durant la síntesi. Aquest procés de degradació pot conduir a una reducció del pes molecular de CMC, especialment a valors de DS més alts i reaccions més extenses.
   • Per contra, els valors de DS més baixos estan associats amb cadenes de polímers més llargues i pesos moleculars més alts de mitjana. Això es deu al fet que els graus més baixos de substitució donen lloc a menys grups carboximetil per unitat de glucosa, permetent que els segments més llargs de cadenes de cel·lulosa no modificades romanguin intactes.
2. Efecte del pes molecular sobre la SD:
   • El pes molecular de CMC pot influir en el grau de substitució assolit durant la síntesi. Els pesos moleculars més alts de la cel·lulosa poden proporcionar llocs més reactius per a les reaccions de carboximetilació, permetent que s'aconsegueixi un grau més alt de substitució en determinades condicions.
   • Tanmateix, els pesos moleculars excessivament elevats de la cel·lulosa també poden dificultar l'accessibilitat dels grups hidroxil per a les reaccions de substitució, donant lloc a una carboximetilació incompleta o ineficient i a valors de DS més baixos.
   • A més, la distribució del pes molecular del material de cel·lulosa inicial pot afectar la distribució dels valors de DS en el producte CMC resultant. Les heterogeneïtats en el pes molecular poden provocar variacions en la reactivitat i l'eficiència de substitució durant la síntesi, donant lloc a un rang més ampli de valors de DS al producte final de CMC.

Impacte del DS i el pes molecular en les propietats i aplicacions de CMC:

1. Propietats reològiques:
   • El grau de substitució (DS) i el pes molecular de CMC poden influir en les seves propietats reològiques, com ara la viscositat, el comportament d'aprimament de cisalla i la formació de gel.
   • Els valors de DS més alts generalment donen lloc a viscositats més baixes i un comportament més pseudoplàstic (aprimament de cisalla) a causa de les cadenes de polímers més curtes i la reducció de l'entrellat molecular.
   • Per contra, els valors de DS més baixos i els pesos moleculars més elevats tendeixen a augmentar la viscositat i millorar el comportament pseudoplàstic de les solucions CMC, donant lloc a una millora en les propietats d'espesseix i de suspensió.
2. Solubilitat en aigua i comportament d'inflor:
   • CMC amb valors de DS més alts tendeix a mostrar una major solubilitat en aigua i taxes d'hidratació més ràpides a causa de la major concentració de grups carboximetil hidròfils al llarg de les cadenes de polímer.
   • Tanmateix, els valors de DS excessivament elevats també poden provocar una reducció de la solubilitat en aigua i una augment de la formació de gel, especialment a concentracions elevades o en presència de cations multivalents.
   • El pes molecular de CMC pot afectar el seu comportament d'inflor i propietats de retenció d'aigua. Els pesos moleculars més alts generalment donen lloc a taxes d'hidratació més lentes i una major capacitat de retenció d'aigua, que pot ser avantatjosa en aplicacions que requereixen un alliberament sostingut o un control de la humitat.
3. Propietats de formació de pel·lícules i barrera:
   • Les pel·lícules CMC formades a partir de solucions o dispersions presenten propietats de barrera contra l'oxigen, la humitat i altres gasos, cosa que les fa adequades per a aplicacions d'envasament i recobriment.
   • El DS i el pes molecular de CMC poden influir en la resistència mecànica, la flexibilitat i la permeabilitat de les pel·lícules resultants. Valors més alts de DS i pesos moleculars més baixos poden conduir a pel·lícules amb menor resistència a la tracció i una major permeabilitat a causa de les cadenes de polímers més curtes i les interaccions intermoleculars reduïdes.
4. Aplicacions en diverses indústries:
   • CMC amb diferents valors DS i pesos moleculars troba aplicacions en diverses indústries, com ara alimentació, farmacèutica, cosmètica, tèxtil i perforació de petroli.
   • A la indústria alimentària, el CMC s'utilitza com a espessidor, estabilitzador i emulsionant en productes com salses, amaniments i begudes. L'elecció del grau CMC depèn de la textura desitjada, la sensació en boca i els requisits d'estabilitat del producte final.
   • En les formulacions farmacèutiques, CMC serveix com a agent aglutinant, desintegrant i pel·lícula en comprimits, càpsules i suspensions orals. El DS i el pes molecular de CMC poden influir en la cinètica d'alliberament de fàrmacs, la biodisponibilitat i el compliment del pacient.
   • A la indústria cosmètica, CMC s'utilitza en cremes, locions i productes per a la cura del cabell com a espessidor, estabilitzador i hidratant. L'elecció del grau CMC depèn de factors com la textura, la capacitat d'estendre i els atributs sensorials.
   • A la indústria de la perforació de petroli, el CMC s'utilitza en fluids de perforació com a viscosificador, agent de control de pèrdues de fluids i inhibidor d'esquist. El DS i el pes molecular de CMC poden afectar el seu rendiment per mantenir l'estabilitat del pou, controlar la pèrdua de líquids i inhibir la inflor de l'argila.

Conclusió:

La relació entre el grau de substitució (DS) i el pes molecular de la carboximetil cel·lulosa sòdica (CMC) és complexa i està influenciada per múltiples factors relacionats amb la síntesi, l'estructura i les propietats de CMC. Els valors de DS més alts generalment corresponen a pesos moleculars més baixos de CMC, mentre que els valors de DS més baixos i els pesos moleculars més alts tendeixen a donar lloc a cadenes de polímers més llargues i pesos moleculars més alts de mitjana. Entendre aquesta relació és crucial per optimitzar les propietats i el rendiment de CMC en diverses aplicacions en diferents indústries, com ara alimentació, productes farmacèutics, cosmètics, tèxtils i perforació de petroli. Es necessiten més esforços de recerca i desenvolupament per dilucidar els mecanismes subjacents i optimitzar la síntesi i caracterització de CMC amb distribucions de pes molecular i DS a mida per a aplicacions específiques.