Virkninger af substituenter og molekylvægt på overfladeegenskaber af ikke-ionisk celluloseether

Ifølge Washburns imprægneringsteori (Penetration Theory) og van Oss-Good-Chaudhurys kombinationsteori (Combining Theory) og anvendelsen af ​​søjlevægeteknologi (Column Wicking Technique) er flere ikke-ioniske celluloseethere, såsom methylcellulose Overfladeegenskaberne af cellulose, hydroxypropylcellulose og hydroxypropylmethylcellulose blev testet. På grund af de forskellige substituenter, substitutionsgrader og molekylvægte af disse celluloseethere er deres overfladeenergier og deres komponenter væsentligt forskellige. Dataene viser, at Lewis-basen af ​​ikke-ionisk celluloseether er større end Lewis-syren, og hovedbestanddelen af ​​den frie overfladeenergi er Lifshitz-van der Waals-kraften. Overfladeenergien af ​​hydroxypropyl og dets sammensætning er større end hydroxymethyls. Under forudsætningen af ​​den samme substituent og substitutionsgrad er den frie overfladeenergi af hydroxypropylcellulose proportional med molekylvægten; mens den frie overfladeenergi af hydroxypropylmethylcellulose er proportional med substitutionsgraden og omvendt proportional med molekylvægten. Forsøget fandt også, at overfladeenergien af ​​substituenten hydroxypropyl og hydroxypropylmethyl i den ikke-ioniske celluloseether synes at være større end overfladeenergien af ​​cellulose, og eksperimentet beviser, at overfladeenergien af ​​den testede cellulose og dens sammensætning. i overensstemmelse med litteraturen.

Nøgleord: ikke-ioniske celluloseethere; substituenter og substitutionsgrader; molekylvægt; overfladeegenskaber; væge teknologi

Celluloseether er en stor kategori af cellulosederivater, som kan opdeles i anioniske, kationiske og nonioniske ethere i henhold til den kemiske struktur af deres ethersubstituenter. Celluloseether er også et af de tidligste produkter, der forskes i og produceres inden for polymerkemi. Hidtil har celluloseether været meget brugt i medicin, hygiejne, kosmetik og fødevareindustrien.

Selvom celluloseethere, såsom hydroxymethylcellulose, hydroxypropylcellulose og hydroxypropylmethylcellulose, er blevet fremstillet industrielt, og mange af deres egenskaber er blevet undersøgt, er deres overfladeenergi, syre-alkali-reaktive egenskaber hidtil ikke blevet rapporteret. Da de fleste af disse produkter bruges i et flydende miljø, og overfladeegenskaberne, især syre-basereaktionsegenskaberne, sandsynligvis vil påvirke deres anvendelse, er det meget nødvendigt at studere og forstå overfladens kemiske egenskaber af denne kommercielle celluloseether.

I betragtning af, at prøverne af cellulosederivater er meget nemme at ændre med ændringen af ​​præparationsbetingelserne, bruger dette papir kommercielle produkter som prøver til at karakterisere deres overfladeenergi, og baseret på dette, indflydelsen af ​​substituenter og molekylvægte af sådanne produkter på overfladen egenskaber studeres.

1. Eksperimentel del

1.1 Råvarer

Den ikke-ioniske celluloseether, der blev brugt i forsøget, er produktet afKIMA CHEMICAL CO., LTD,. Prøverne blev ikke underkastet nogen behandling før testning.

I betragtning af, at cellulosederivater er lavet af cellulose, er de to strukturer tætte, og overfladeegenskaberne af cellulose er blevet rapporteret i litteraturen, så dette papir bruger cellulose som standardprøven. Den anvendte celluloseprøve var kodenavnet C8002 og blev købt hosKIMA, CN. Prøven blev ikke udsat for nogen behandling under testen.

De anvendte reagenser i forsøget er: ethan, diiodmethan, deioniseret vand, formamid, toluen, chloroform. Alle væsker var analytisk rene produkter undtagen vand, som var kommercielt tilgængeligt.

1.2 Eksperimentel metode

I dette eksperiment blev søjlevægeteknikken anvendt, og et snit (ca. 10 cm) af en standardpipette med en indvendig diameter på 3 mm blev skåret som søjlerøret. Kom 200 mg pulveriseret prøve i kolonnerøret hver gang, ryst det derefter for at gøre det jævnt, og anbring det lodret på bunden af ​​glasbeholderen med en indvendig diameter på ca. 3 cm, så væsken kan adsorberes spontant. Vej 1 mL af væsken, der skal testes, og kom den i en glasbeholder, og noter nedsænkningstiden t og nedsænkningsafstanden X på samme tid. Alle eksperimenter blev udført ved stuetemperatur (25±1°C). Hver data er gennemsnittet af tre replikateksperimenter.

1.3 Beregning af eksperimentelle data

Det teoretiske grundlag for anvendelsen af ​​søjlevægeteknik til at teste overfladeenergien af ​​pulvermaterialer er Washburn-imprægneringsligningen (Washburn penetrationsligning).

1.3.1 Bestemmelse af kapillær effektive radius Reff for den målte prøve

Ved påføring af Washburn nedsænkningsformlen er betingelsen for at opnå fuldstændig befugtning cos=1. Dette betyder, at når en væske vælges til at nedsænkes i et fast stof for at opnå en fuldstændig våd tilstand, kan vi beregne den kapillære effektive radius Reff for den målte prøve ved at teste nedsænkningsafstanden og -tiden i henhold til et særligt tilfælde af Washburn-nedsænkningsformlen.

1.3.2 Lifshitz-van der Waals kraftberegning for den målte prøve

Ifølge van Oss-Chaudhury-Goods kombinationsregler er forholdet mellem reaktionerne mellem væsker og faste stoffer.

1.3.3 Beregning af Lewis syre-base kraft af de målte prøver

Generelt er faste stoffers syre-base egenskaber estimeret ud fra data imprægneret med vand og formamid. Men i denne artikel fandt vi ud af, at der ikke er noget problem, når man bruger dette par polære væsker til at måle cellulose, men i testen af ​​celluloseether, fordi nedsænkningshøjden af ​​det polære opløsningssystem af vand/formamid i celluloseether er for lav. , hvilket gør tidsregistrering meget vanskelig. Derfor blev toluen/chloroform-opløsningssystemet introduceret af Chibowsk valgt. Ifølge Chibowski er et toluen/chloroform polært opløsningssystem også en mulighed. Det skyldes, at disse to væsker har en helt speciel surhed og alkalinitet, for eksempel har toluen ingen Lewis surhed, og chloroform har ingen Lewis alkalinitet. For at få data opnået af toluen/chloroform opløsningssystemet tættere på det anbefalede polære opløsningssystem af vand/formamid, bruger vi disse to polære væskesystemer til at teste cellulose på samme tid, og får derefter de tilsvarende ekspansions- eller kontraktionskoefficienter før påføring Data opnået ved imprægnering af celluloseether med toluen/chloroform er tæt på konklusionerne opnået for vand/formamid-systemet. Da celluloseethere er afledt af cellulose, og der er en meget ens struktur mellem de to, kan denne estimeringsmetode være gyldig.

1.3.4 Beregning af total overfladefri energi

2. Resultater og diskussion

2.1 Cellulosestandard

Da vores testresultater på cellulosestandardprøver fandt, at disse data er i god overensstemmelse med dem, der er rapporteret i litteraturen, er det rimeligt at tro, at testresultaterne på celluloseethere også bør overvejes.

2.2 Testresultater og diskussion af celluloseether

Under testen af ​​celluloseether er det meget vanskeligt at registrere nedsænkningsafstanden og -tiden på grund af den meget lave nedsænkningshøjde af vand og formamid. Derfor vælger dette papir toluen/chloroform opløsningssystemet som en alternativ løsning og estimerer Lewis surhedsgraden af ​​celluloseether baseret på testresultaterne for vand/formamid og toluen/chloroform på cellulose og det proportionelle forhold mellem de to opløsningssystemer. og alkalisk kraft.

Ved at tage cellulose som en standardprøve, gives en række syre-base-karakteristika for celluloseethere. Da resultatet af imprægnering af celluloseether med toluen/chloroform testes direkte, er det overbevisende.

Det betyder, at substituenternes type og molekylvægt påvirker celluloseetherens syre-base egenskaber, og forholdet mellem de to substituenter, hydroxypropyl og hydroxypropylmethyl, på celluloseetherens syre-base egenskaber og molekylvægten helt modsat. Men det kan også hænge sammen med, at parlamentsmedlemmer er blandede substituenter.

Da substituenterne af MO43 og K8913 er forskellige og har samme molekylvægt, for eksempel, er substituenten af ​​førstnævnte hydroxymethyl, og substituenten af ​​sidstnævnte er hydroxypropyl, men molekylvægten af ​​begge er 100.000, så det betyder også, at forudsætning af samme molekylvægt Under omstændighederne kan S+ og S- af hydroxymethylgruppen være mindre end hydroxypropylgruppen. Men substitutionsgraden er også mulig, fordi substitutionsgraden for K8913 er omkring 3,00, mens den for MO43 kun er 1,90.

Da substitutionsgraden og substituenterne af K8913 og K9113 er de samme, men kun molekylvægten er forskellig, viser sammenligningen mellem de to, at S+ for hydroxypropylcellulose falder med stigningen i molekylvægt, men S- stiger tværtimod. .

Fra sammenfatningen af ​​testresultaterne af overfladeenergien af ​​alle celluloseethere og deres komponenter kan det ses, at uanset om det er cellulose eller celluloseether, er hovedkomponenten af ​​deres overfladeenergi Lifshitz-van der Waals-kraften, der tegner sig for omkring 98% ~ 99%. Desuden er Lifshitz-van der Waals-kræfterne af disse ikke-ioniske celluloseethere (undtagen MO43) også for det meste større end cellulosens, hvilket indikerer, at etherificeringsprocessen af ​​cellulose også er en proces med at øge Lifshitz-van der Waals-kræfterne. Og disse stigninger fører til, at overfladeenergien af ​​celluloseether er større end for cellulose. Dette fænomen er meget interessant, fordi disse celluloseethere almindeligvis anvendes til fremstilling af overfladeaktive stoffer. Men dataene er bemærkelsesværdige, ikke kun fordi dataene om referencestandardprøven testet i dette eksperiment er ekstremt konsistente med værdien rapporteret i litteraturen, dataene om referencestandardprøven er ekstremt konsistente med værdien rapporteret i litteraturen, for eksempel: al disse cellulose Ethers SAB er væsentligt mindre end celluloses, og det skyldes deres meget store Lewis-baser. Under forudsætningen af ​​den samme substituent og substitutionsgrad er den frie overfladeenergi af hydroxypropylcellulose proportional med molekylvægten; mens den frie overfladeenergi af hydroxypropylmethylcellulose er proportional med substitutionsgraden og omvendt proportional med molekylvægten.

Derudover, fordi celluloseethere har større SLW end cellulose, men vi ved allerede, at deres dispergerbarhed er bedre end cellulose, så det kan foreløbigt anses for, at hovedkomponenten af ​​SLW, der udgør ikke-ioniske celluloseethere, bør være London-styrken.

3. Konklusion

Undersøgelser har vist, at typen af ​​substituent, substitutionsgrad og molekylvægt har stor indflydelse på overfladeenergien og sammensætningen af ​​ikke-ionisk celluloseether. Og denne effekt ser ud til at have følgende regelmæssighed:

(1) S+ for ikke-ionisk celluloseether er mindre end S-.

(2) Overfladeenergien af ​​ikke-ionisk celluloseether er domineret af Lifshitz-van der Waals kraft.

(3) Molekylvægt og substituenter har en effekt på overfladeenergien af ​​ikke-ioniske celluloseethere, men det afhænger hovedsageligt af typen af ​​substituenter.

(4) Under forudsætningen af ​​den samme substituent og substitutionsgrad er den frie overfladeenergi af hydroxypropylcellulose proportional med molekylvægten; mens den frie overfladeenergi af hydroxypropylmethylcellulose er proportional med substitutionsgraden og omvendt proportional med molekylvægten.

(5) Forætringsprocessen af ​​cellulose er en proces, hvor Lifshitz-van der Waals-kraften øges, og det er også en proces, hvor Lewis surhedsgrad falder og Lewis alkalinitet stiger.