Auswirkungen von Substituenten und Molekulargewicht auf die Oberflächeneigenschaften von nichtionischem Celluloseether

Nach der Imprägnierungstheorie von Washburn (Penetrationstheorie) und der Kombinationstheorie von van Oss-Good-Chaudhury (Kombinationstheorie) und der Anwendung der Säulendochttechnologie (Column Wicking Technique) werden mehrere nichtionische Celluloseether, wie z. B. Methylcellulose, verwendet Zellulose, Hydroxypropylzellulose und Hydroxypropylmethylzellulose wurden getestet. Aufgrund der unterschiedlichen Substituenten, Substitutionsgrade und Molekulargewichte dieser Celluloseether sind ihre Oberflächenenergien und ihre Bestandteile deutlich unterschiedlich. Die Daten zeigen, dass die Lewis-Base des nichtionischen Celluloseethers größer ist als die Lewis-Säure und die Hauptkomponente der freien Oberflächenenergie die Lifshitz-van-der-Waals-Kraft ist. Die Oberflächenenergie von Hydroxypropyl und seine Zusammensetzung sind größer als die von Hydroxymethyl. Unter der Voraussetzung des gleichen Substituenten und Substitutionsgrads ist die freie Oberflächenenergie von Hydroxypropylcellulose proportional zum Molekulargewicht; während die freie Oberflächenenergie von Hydroxypropylmethylcellulose proportional zum Substitutionsgrad und umgekehrt proportional zum Molekulargewicht ist. Das Experiment ergab auch, dass die Oberflächenenergie der Substituenten Hydroxypropyl und Hydroxypropylmethyl im nichtionischen Celluloseether größer zu sein scheint als die Oberflächenenergie von Cellulose, und das Experiment beweist, dass die Oberflächenenergie der getesteten Cellulose und ihre Zusammensetzung die Daten sind im Einklang mit der Literatur.

Schlüsselwörter: nichtionische Celluloseether; Substituenten und Substitutionsgrade; Molekulargewicht; Oberflächeneigenschaften; Dochttechnologie

Celluloseether sind eine große Kategorie von Cellulosederivaten, die entsprechend der chemischen Struktur ihrer Ethersubstituenten in anionische, kationische und nichtionische Ether unterteilt werden können. Celluloseether ist auch eines der frühesten Produkte, die in der Polymerchemie erforscht und hergestellt wurden. Bisher findet Celluloseether breite Anwendung in der Medizin, Hygiene, Kosmetik und Lebensmittelindustrie.

Obwohl Celluloseether wie Hydroxymethylcellulose, Hydroxypropylcellulose und Hydroxypropylmethylcellulose industriell hergestellt und viele ihrer Eigenschaften untersucht wurden, wurde über ihre Oberflächenenergie und Säure-Alkali-reaktiven Eigenschaften bisher nicht berichtet. Da die meisten dieser Produkte in einer flüssigen Umgebung verwendet werden und die Oberflächeneigenschaften, insbesondere die Eigenschaften der Säure-Base-Reaktion, wahrscheinlich ihre Verwendung beeinflussen, ist es sehr wichtig, die chemischen Oberflächeneigenschaften dieses kommerziellen Celluloseethers zu untersuchen und zu verstehen.

In Anbetracht der Tatsache, dass sich die Proben von Cellulosederivaten bei Änderung der Herstellungsbedingungen sehr leicht verändern können, werden in diesem Artikel kommerzielle Produkte als Proben verwendet, um deren Oberflächenenergie zu charakterisieren und darauf basierend den Einfluss von Substituenten und Molekulargewichten solcher Produkte auf die Oberfläche zu bestimmen Eigenschaften untersucht.

1. Experimenteller Teil

1.1 Rohstoffe

Der im Experiment verwendete nichtionische Celluloseether ist das Produkt vonKIMA CHEMICAL CO.,LTD,. Die Proben wurden vor der Prüfung keiner Behandlung unterzogen.

In Anbetracht der Tatsache, dass Cellulosederivate aus Cellulose bestehen, liegen die beiden Strukturen nahe beieinander und die Oberflächeneigenschaften von Cellulose wurden in der Literatur beschrieben, sodass in diesem Artikel Cellulose als Standardprobe verwendet wird. Die verwendete Zelluloseprobe hatte den Codenamen C8002 und wurde von erworbenKIMA, CN. Die Probe wurde während des Tests keiner Behandlung unterzogen.

Die im Experiment verwendeten Reagenzien sind: Ethan, Diiodmethan, entionisiertes Wasser, Formamid, Toluol, Chloroform. Alle Flüssigkeiten waren analytisch reine Produkte, mit Ausnahme von Wasser, das im Handel erhältlich war.

1.2 Experimentelle Methode

In diesem Experiment wurde die Säulen-Dochttechnik angewendet und ein Abschnitt (ca. 10 cm) einer Standardpipette mit einem Innendurchmesser von 3 mm als Säulenrohr abgeschnitten. Geben Sie jeweils 200 mg der pulverförmigen Probe in das Säulenrohr, schütteln Sie es dann gleichmäßig und stellen Sie es senkrecht auf den Boden des Glasbehälters mit einem Innendurchmesser von etwa 3 cm, damit die Flüssigkeit spontan adsorbiert werden kann. Wiegen Sie 1 ml der zu prüfenden Flüssigkeit ab, geben Sie diese in einen Glasbehälter und notieren Sie dabei die Eintauchzeit t und die Eintauchstrecke X. Alle Experimente wurden bei Raumtemperatur (25 °C) durchgeführt±1°C). Alle Daten sind der Durchschnitt von drei Wiederholungsexperimenten.

1.3 Berechnung experimenteller Daten

Die theoretische Grundlage für die Anwendung der Säulendochttechnik zur Prüfung der Oberflächenenergie von Pulvermaterialien ist die Washburn-Imprägnierungsgleichung (Washburn-Penetrationsgleichung).

1.3.1 Bestimmung des kapillarwirksamen Radius Reff der gemessenen Probe

Bei der Anwendung der Washburn-Tauchformel ist die Bedingung für eine vollständige Benetzung cos=1. Das heißt, wenn eine Flüssigkeit zum Eintauchen in einen Feststoff ausgewählt wird, um einen vollständig nassen Zustand zu erreichen, können wir den effektiven Kapillarradius Reff der gemessenen Probe berechnen, indem wir die Eintauchentfernung und -zeit gemäß einem Sonderfall der Washburn-Eintauchformel testen.

1.3.2 Lifshitz-van-der-Waals-Kraftberechnung für die gemessene Probe

Nach den Kombinationsregeln von van Oss-Chaudhury-Good ist die Beziehung zwischen den Reaktionen zwischen Flüssigkeiten und Feststoffen.

1.3.3 Berechnung der Lewis-Säure-Base-Kraft der gemessenen Proben

Im Allgemeinen werden die Säure-Base-Eigenschaften von Feststoffen anhand von Daten geschätzt, die mit Wasser und Formamid imprägniert sind. In diesem Artikel haben wir jedoch festgestellt, dass es bei der Verwendung dieses polaren Flüssigkeitspaars zur Messung von Cellulose kein Problem gibt, sondern beim Test von Celluloseether, da die Eintauchhöhe des polaren Lösungssystems aus Wasser/Formamid in Celluloseether zu niedrig ist , was die Zeiterfassung sehr erschwert. Daher wurde das von Chibowsk eingeführte Toluol/Chloroform-Lösungssystem ausgewählt. Laut Chibowski ist auch ein polares Toluol/Chloroform-Lösungssystem eine Option. Dies liegt daran, dass diese beiden Flüssigkeiten eine ganz besondere Säure und Alkalität aufweisen. Beispielsweise hat Toluol keine Lewis-Azidität und Chloroform keine Lewis-Alkalität. Um die vom Toluol/Chloroform-Lösungssystem erhaltenen Daten näher an das empfohlene polare Lösungssystem von Wasser/Formamid zu bringen, verwenden wir diese beiden polaren Flüssigkeitssysteme, um Cellulose gleichzeitig zu testen, und ermitteln dann die entsprechenden Expansions- oder Kontraktionskoeffizienten vor der Anwendung Die durch Imprägnierung von Celluloseether mit Toluol/Chloroform erhaltenen Daten kommen den Schlussfolgerungen für das Wasser/Formamid-System nahe. Da Celluloseether von Cellulose abgeleitet sind und eine sehr ähnliche Struktur zwischen beiden besteht, kann diese Schätzmethode gültig sein.

1.3.4 Berechnung der gesamten freien Oberflächenenergie

2. Ergebnisse und Diskussion

2.1 Zellulosestandard

Da unsere Testergebnisse zu Cellulose-Standardproben ergaben, dass diese Daten gut mit den in der Literatur berichteten Daten übereinstimmen, ist es vernünftig anzunehmen, dass auch die Testergebnisse zu Celluloseethern berücksichtigt werden sollten.

2.2 Testergebnisse und Diskussion von Celluloseether

Beim Test von Celluloseether ist es aufgrund der sehr geringen Eintauchhöhe von Wasser und Formamid sehr schwierig, die Eintauchstrecke und -zeit zu erfassen. Daher wählt dieser Artikel das Toluol/Chloroform-Lösungssystem als alternative Lösung und schätzt die Lewis-Acidität von Celluloseether basierend auf den Testergebnissen von Wasser/Formamid und Toluol/Chloroform auf Cellulose und der proportionalen Beziehung zwischen den beiden Lösungssystemen. und alkalische Energie.

Ausgehend von Cellulose als Standardprobe wird eine Reihe von Säure-Base-Eigenschaften von Celluloseethern angegeben. Da das Ergebnis der Imprägnierung von Celluloseether mit Toluol/Chloroform direkt getestet wird, ist es überzeugend.

Dies bedeutet, dass die Art und das Molekulargewicht der Substituenten die Säure-Base-Eigenschaften von Celluloseether beeinflussen und das Verhältnis zwischen den beiden Substituenten, Hydroxypropyl und Hydroxypropylmethyl, die Säure-Base-Eigenschaften von Celluloseether und das Molekulargewicht völlig entgegengesetzt beeinflusst. Es könnte aber auch damit zusammenhängen, dass es sich bei den Abgeordneten um gemischte Substituenten handelt.

Da die Substituenten von MO43 und K8913 unterschiedlich sind und das gleiche Molekulargewicht haben, ist beispielsweise der Substituent des ersteren Hydroxymethyl und der Substituent des letzteren Hydroxypropyl, aber das Molekulargewicht beider beträgt 100.000, was auch bedeutet, dass Voraussetzung des gleichen Molekulargewichts Unter diesen Umständen können S+ und S- der Hydroxymethylgruppe kleiner sein als die der Hydroxypropylgruppe. Der Substitutionsgrad ist aber auch möglich, denn der Substitutionsgrad von K8913 liegt bei etwa 3,00, während der von MO43 nur 1,90 beträgt.

Da der Substitutionsgrad und die Substituenten von K8913 und K9113 gleich sind, aber nur das Molekulargewicht unterschiedlich ist, zeigt der Vergleich zwischen den beiden, dass S+ von Hydroxypropylcellulose mit zunehmendem Molekulargewicht abnimmt, S- jedoch im Gegenteil zunimmt. .

Aus der Zusammenfassung der Testergebnisse zur Oberflächenenergie aller Celluloseether und ihrer Komponenten geht hervor, dass der Hauptbestandteil ihrer Oberflächenenergie, unabhängig davon, ob es sich um Cellulose oder Celluloseether handelt, die Lifshitz-van-der-Waals-Kraft ist etwa 98 % ~ 99 %. Darüber hinaus sind die Lifshitz-van-der-Waals-Kräfte dieser nichtionischen Celluloseether (außer MO43) meist auch größer als die von Cellulose, was darauf hindeutet, dass der Veretherungsprozess von Cellulose auch ein Prozess der Erhöhung der Lifshitz-van-der-Waals-Kräfte ist. Und diese Erhöhungen führen dazu, dass die Oberflächenenergie von Celluloseether größer ist als die von Cellulose. Dieses Phänomen ist sehr interessant, da diese Celluloseether häufig bei der Herstellung von Tensiden verwendet werden. Aber die Daten sind bemerkenswert, nicht nur, weil die Daten über die in diesem Experiment getestete Referenzstandardprobe äußerst konsistent mit dem in der Literatur angegebenen Wert sind, sondern auch, weil die Daten über die Referenzstandardprobe äußerst konsistent mit dem in der Literatur angegebenen Wert sind, z Beispiel: alle diese Cellulose. Der SAB von Ethern ist deutlich kleiner als der von Cellulose, was auf ihre sehr großen Lewis-Basen zurückzuführen ist. Unter der Voraussetzung des gleichen Substituenten und Substitutionsgrads ist die freie Oberflächenenergie von Hydroxypropylcellulose proportional zum Molekulargewicht; während die freie Oberflächenenergie von Hydroxypropylmethylcellulose proportional zum Substitutionsgrad und umgekehrt proportional zum Molekulargewicht ist.

Da Celluloseether außerdem ein größeres SLW als Cellulose haben, wir aber bereits wissen, dass ihre Dispergierbarkeit besser ist als die von Cellulose, kann vorläufig davon ausgegangen werden, dass der Hauptbestandteil von SLW, aus dem nichtionische Celluloseether bestehen, die Londoner Kraft sein sollte.

3. Fazit

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Art des Substituenten, der Substitutionsgrad und das Molekulargewicht einen großen Einfluss auf die Oberflächenenergie und die Zusammensetzung nichtionischer Celluloseether haben. Und dieser Effekt scheint folgende Regelmäßigkeit zu haben:

(1) S+ von nichtionischem Celluloseether ist kleiner als S-.

(2) Die Oberflächenenergie von nichtionischem Celluloseether wird von der Lifshitz-van-der-Waals-Kraft dominiert.

(3) Molekulargewicht und Substituenten haben einen Einfluss auf die Oberflächenenergie nichtionischer Celluloseether, hängen jedoch hauptsächlich von der Art der Substituenten ab.

(4) Unter der Voraussetzung des gleichen Substituenten und Substitutionsgrads ist die freie Oberflächenenergie von Hydroxypropylcellulose proportional zum Molekulargewicht; während die freie Oberflächenenergie von Hydroxypropylmethylcellulose proportional zum Substitutionsgrad und umgekehrt proportional zum Molekulargewicht ist.

(5) Der Veretherungsprozess von Cellulose ist ein Prozess, bei dem die Lifshitz-van-der-Waals-Kraft zunimmt, und es ist auch ein Prozess, bei dem die Lewis-Acidität abnimmt und die Lewis-Alkalität zunimmt.