Jaký je vztah mezi DS a molekulovou hmotností Sodium CMC

Sodná sůl karboxymethylcelulózy (CMC) je všestranný ve vodě rozpustný polymer odvozený z celulózy, přirozeně se vyskytujícího polysacharidu nacházejícího se ve stěnách rostlinných buněk. Je široce používán v různých průmyslových odvětvích, včetně potravinářství, farmacie, kosmetiky, textilu a ropných vrtů, díky svým jedinečným vlastnostem a funkcím.

Struktura a vlastnosti sodné CMC:

CMC se syntetizuje chemickou modifikací celulózy, přičemž karboxymethylové skupiny (-CH2-COOH) jsou zavedeny na hlavní řetězec celulózy prostřednictvím etherifikačních nebo esterifikačních reakcí. Stupeň substituce (DS) se týká průměrného počtu karboxymethylových skupin na jednotku glukózy v celulózovém řetězci. Hodnoty DS se typicky pohybují od 0,2 do 1,5 v závislosti na podmínkách syntézy a požadovaných vlastnostech CMC.

Molekulová hmotnost CMC se vztahuje k průměrné velikosti polymerních řetězců a může se významně lišit v závislosti na faktorech, jako je zdroj celulózy, způsob syntézy, reakční podmínky a techniky čištění. Molekulová hmotnost je často charakterizována parametry, jako je číselná průměrná molekulová hmotnost (Mn), hmotnostně průměrná molekulová hmotnost (Mw) a viskozitně průměrná molekulová hmotnost (Mv).

Syntéza sodíku CMC:

Syntéza CMC typicky zahrnuje reakci celulózy s hydroxidem sodným (NaOH) a kyselinou chloroctovou (ClCH2COOH) nebo její sodnou solí (NaClCH2COOH). Reakce probíhá přes nukleofilní substituci, kdy hydroxylové skupiny (-OH) na celulózovém skeletu reagují s chloracetylovými skupinami (-ClCH2COOH) za vzniku karboxymethylových skupin (-CH2-COOH).

DS CMC lze řídit úpravou molárního poměru kyseliny chloroctové k celulóze, reakční doby, teploty, pH a dalších parametrů během syntézy. Vyšších hodnot DS se typicky dosahuje vyššími koncentracemi kyseliny chloroctové a delšími reakčními časy.

Molekulová hmotnost CMC je ovlivněna různými faktory, včetně distribuce molekulové hmotnosti výchozího celulózového materiálu, rozsahu degradace během syntézy a stupněm polymerace řetězců CMC. Různé způsoby syntézy a reakční podmínky mohou vést k CMC s různými distribucemi molekulových hmotností a průměrnými velikostmi.

Vztah mezi DS a molekulovou hmotností:

Vztah mezi stupněm substituce (DS) a molekulovou hmotností sodné soli karboxymethylcelulózy (CMC) je složitý a ovlivněný mnoha faktory souvisejícími se syntézou, strukturou a vlastnostmi CMC.

1. Vliv DS na molekulovou hmotnost:
   • Vyšší hodnoty DS obecně odpovídají nižším molekulovým hmotnostem CMC. Je tomu tak proto, že vyšší hodnoty DS indikují vyšší stupeň substituce karboxymethylových skupin na celulózovém hlavním řetězci, což vede ke kratším polymerním řetězcům a nižším molekulovým hmotnostem v průměru.
   • Zavedení karboxymethylových skupin narušuje mezimolekulární vodíkové vazby mezi celulózovými řetězci, což má za následek štěpení a fragmentaci řetězce během syntézy. Tento degradační proces může vést ke snížení molekulové hmotnosti CMC, zejména při vyšších hodnotách DS a rozsáhlejších reakcích.
   • Naopak nižší hodnoty DS jsou v průměru spojeny s delšími polymerními řetězci a vyššími molekulovými hmotnostmi. Důvodem je, že nižší stupně substituce mají za následek méně karboxymethylových skupin na jednotku glukózy, což umožňuje, aby delší segmenty nemodifikovaných celulózových řetězců zůstaly nedotčené.
2. Vliv molekulové hmotnosti na DS:
   • Molekulová hmotnost CMC může ovlivnit stupeň substituce dosažený během syntézy. Vyšší molekulové hmotnosti celulózy mohou poskytnout reaktivnější místa pro karboxymethylační reakce, což umožňuje za určitých podmínek dosáhnout vyššího stupně substituce.
   • Nadměrně vysoké molekulové hmotnosti celulózy však mohou také bránit dostupnosti hydroxylových skupin pro substituční reakce, což vede k neúplné nebo neúčinné karboxymethylaci a nižším hodnotám DS.
   • Kromě toho distribuce molekulových hmotností výchozího celulózového materiálu může ovlivnit distribuci hodnot DS ve výsledném CMC produktu. Heterogenity v molekulové hmotnosti mohou mít za následek změny v reaktivitě a substituční účinnosti během syntézy, což vede k širšímu rozsahu hodnot DS v konečném produktu CMC.

Vliv DS a molekulové hmotnosti na vlastnosti a aplikace CMC:

1. Reologické vlastnosti:
   • Stupeň substituce (DS) a molekulová hmotnost CMC mohou ovlivnit její reologické vlastnosti, včetně viskozity, chování při střihovém ztenčování a tvorby gelu.
   • Vyšší hodnoty DS obecně vedou k nižším viskozitám a více pseudoplastickému (smykovému ztenčování) chování díky kratším polymerním řetězcům a sníženému zapletení molekul.
   • Naopak nižší hodnoty DS a vyšší molekulové hmotnosti mají tendenci zvyšovat viskozitu a zlepšovat pseudoplastické chování roztoků CMC, což vede ke zlepšení zahušťovacích a suspenzních vlastností.
2. Rozpustnost ve vodě a bobtnání:
   • CMC s vyššími hodnotami DS má tendenci vykazovat větší rozpustnost ve vodě a rychlejší rychlost hydratace v důsledku vyšší koncentrace hydrofilních karboxymethylových skupin podél polymerních řetězců.
   • Nadměrně vysoké hodnoty DS však mohou také vést ke snížené rozpustnosti ve vodě a zvýšené tvorbě gelu, zejména při vysokých koncentracích nebo v přítomnosti multivalentních kationtů.
   • Molekulová hmotnost CMC může ovlivnit její bobtnání a vlastnosti zadržování vody. Vyšší molekulové hmotnosti obecně vedou k nižší rychlosti hydratace a větší schopnosti zadržovat vodu, což může být výhodné v aplikacích vyžadujících postupné uvolňování nebo kontrolu vlhkosti.
3. Filmotvorné a bariérové ​​vlastnosti:
   • CMC filmy vytvořené z roztoků nebo disperzí vykazují bariérové ​​vlastnosti proti kyslíku, vlhkosti a dalším plynům, díky čemuž jsou vhodné pro aplikace balení a potahování.
   • DS a molekulová hmotnost CMC mohou ovlivnit mechanickou pevnost, pružnost a propustnost výsledných filmů. Vyšší hodnoty DS a nižší molekulové hmotnosti mohou vést k filmům s nižší pevností v tahu a vyšší permeabilitou díky kratším polymerním řetězcům a sníženým intermolekulárním interakcím.
4. Aplikace v různých odvětvích:
   • CMC s různými hodnotami DS a molekulovými hmotnostmi nachází uplatnění v různých průmyslových odvětvích, včetně potravinářství, farmacie, kosmetiky, textilu a ropných vrtů.
   • V potravinářském průmyslu se CMC používá jako zahušťovadlo, stabilizátor a emulgátor v produktech, jako jsou omáčky, dresinky a nápoje. Volba třídy CMC závisí na požadované struktuře, pocitu v ústech a požadavcích na stabilitu konečného produktu.
   • Ve farmaceutických formulacích slouží CMC jako pojivo, dezintegrační činidlo a filmotvorné činidlo v tabletách, kapslích a orálních suspenzích. DS a molekulová hmotnost CMC mohou ovlivnit kinetiku uvolňování léčiva, biologickou dostupnost a komplianci pacienta.
   • V kosmetickém průmyslu se CMC používá v krémech, pleťových vodách a výrobcích pro péči o vlasy jako zahušťovadlo, stabilizátor a zvlhčovač. Výběr třídy CMC závisí na faktorech, jako je textura, roztíratelnost a senzorické vlastnosti.
   • V průmyslu ropných vrtů se CMC používá ve vrtných kapalinách jako viskozifikátor, činidlo pro kontrolu ztráty kapaliny a inhibitor břidlice. DS a molekulová hmotnost CMC mohou ovlivnit její výkon při udržování stability vrtu, řízení ztráty tekutin a inhibici bobtnání jílu.

Závěr:

Vztah mezi stupněm substituce (DS) a molekulovou hmotností sodné soli karboxymethylcelulózy (CMC) je složitý a ovlivněný mnoha faktory souvisejícími se syntézou, strukturou a vlastnostmi CMC. Vyšší hodnoty DS obecně odpovídají nižším molekulovým hmotnostem CMC, zatímco nižší hodnoty DS a vyšší molekulové hmotnosti mají v průměru za následek delší polymerní řetězce a vyšší molekulové hmotnosti. Pochopení tohoto vztahu je klíčové pro optimalizaci vlastností a výkonu CMC v různých aplikacích napříč průmyslovými odvětvími, včetně potravinářství, farmacie, kosmetiky, textilu a ropných vrtů. K objasnění základních mechanismů a optimalizaci syntézy a charakterizace CMC s přizpůsobeným DS a distribucí molekulových hmotností pro konkrétní aplikace je zapotřebí dalšího úsilí ve výzkumu a vývoji.