اثرات جانشین‌ها و وزن مولکولی بر ویژگی‌های سطحی اتر سلولزی غیریونی

با توجه به تئوری اشباع Washburn (نظریه نفوذ) و نظریه ترکیبی Van Oss-Good-Chaudhury (تئوری ترکیبی) و کاربرد فناوری فتیله ستونی (Column Wicking Technique)، چندین اتر سلولزی غیر یونی، مانند متیل سلولز، خواص سطحی سلولز، هیدروکسی پروپیل سلولز و هیدروکسی پروپیل متیل سلولز مورد آزمایش قرار گرفتند. با توجه به جانشین های مختلف، درجات جایگزینی و وزن مولکولی این اترهای سلولزی، انرژی های سطحی و اجزای آنها به طور قابل توجهی متفاوت است. داده ها نشان می دهد که پایه لوئیس اتر سلولز غیر یونی بزرگتر از اسید لوئیس است و جزء اصلی انرژی آزاد سطح نیروی لیفشیتز-واندروالس است. انرژی سطحی هیدروکسی پروپیل و ترکیب آن بیشتر از هیدروکسی متیل است. تحت فرض همان جانشین و درجه جانشینی، انرژی آزاد سطحی هیدروکسی پروپیل سلولز متناسب با وزن مولکولی است. در حالی که انرژی آزاد سطح هیدروکسی پروپیل متیل سلولز با درجه جانشینی متناسب و با وزن مولکولی نسبت معکوس دارد. این آزمایش همچنین نشان داد که انرژی سطحی جایگزین هیدروکسی پروپیل و هیدروکسی پروپیل متیل در اتر سلولز غیریونی به نظر بیشتر از انرژی سطحی سلولز است و آزمایش ثابت می کند که انرژی سطحی سلولز آزمایش شده و ترکیب آن مطابق با ادبیات

کلمات کلیدی: اترهای سلولز غیریونی؛ جایگزین ها و درجات جایگزینی؛ وزن مولکولی؛ خواص سطحی؛ تکنولوژی فیتیله

اتر سلولزی دسته بزرگی از مشتقات سلولزی است که با توجه به ساختار شیمیایی جایگزین‌های اتر آن‌ها را می‌توان به اترهای آنیونی، کاتیونی و غیریونی تقسیم کرد. اتر سلولز نیز یکی از اولین محصولاتی است که در شیمی پلیمرها تحقیق و تولید شده است. اتر سلولز تاکنون به طور گسترده در پزشکی، بهداشت، آرایشی و بهداشتی و صنایع غذایی استفاده شده است.

اگرچه اترهای سلولز مانند هیدروکسی متیل سلولز، هیدروکسی پروپیل سلولز و هیدروکسی پروپیل متیل سلولز به صورت صنعتی تولید شده اند و بسیاری از خواص آنها مورد مطالعه قرار گرفته است، اما انرژی سطحی آنها و خواص واکنش قلیایی-اسیدی آنها تاکنون گزارش نشده است. از آنجایی که بیشتر این محصولات در یک محیط مایع استفاده می شوند و ویژگی های سطح، به ویژه ویژگی های واکنش اسید-باز احتمالاً بر استفاده از آنها تأثیر می گذارد، مطالعه و درک ویژگی های شیمیایی سطح این اتر سلولزی تجاری بسیار ضروری است.

با توجه به اینکه نمونه‌های مشتقات سلولز با تغییر شرایط آماده‌سازی بسیار آسان تغییر می‌کنند، این مقاله از محصولات تجاری به عنوان نمونه برای مشخص کردن انرژی سطحی آن‌ها استفاده می‌کند و بر این اساس، تأثیر جانشین‌ها و وزن‌های مولکولی این محصولات بر سطح خواص مورد مطالعه قرار می گیرد.

1. بخش تجربی

1.1 مواد اولیه

اتر سلولز غیر یونی مورد استفاده در آزمایش محصول استشرکت شیمیایی کیما، با مسئولیت محدود، نمونه ها قبل از آزمایش تحت هیچ درمانی قرار نگرفتند.

با توجه به اینکه مشتقات سلولز از سلولز ساخته شده اند، این دو ساختار به هم نزدیک هستند و خواص سطحی سلولز در مقالات گزارش شده است، بنابراین این مقاله از سلولز به عنوان نمونه استاندارد استفاده می کند. نمونه سلولزی مورد استفاده با کد C8002 و از این شرکت خریداری شدکیما, CN. نمونه در طول آزمایش تحت هیچ درمانی قرار نگرفت.

معرف های مورد استفاده در آزمایش عبارتند از: اتان، دی یدومتان، آب دیونیزه، فرمامید، تولوئن، کلروفرم. همه مایعات از نظر تحلیلی محصولات خالص بودند به جز آبی که به صورت تجاری در دسترس بود.

1.2 روش تجربی

در این آزمایش، تکنیک فتیله ستونی اتخاذ شد و یک مقطع (حدود 10 سانتی متر) از یک پیپت استاندارد با قطر داخلی 3 میلی متر به عنوان لوله ستون برش داده شد. هر بار 200 میلی گرم از نمونه پودری را در لوله ستون قرار دهید، سپس آن را تکان دهید تا یکنواخت شود و به صورت عمودی در کف ظرف شیشه ای با قطر داخلی حدود 3 سانتی متر قرار دهید تا مایع خود به خود جذب شود. 1 میلی لیتر از مایع مورد آزمایش را وزن کرده و در ظرف شیشه ای قرار دهید و زمان غوطه وری t و فاصله غوطه وری X را به طور همزمان ثبت کنید. تمام آزمایش ها در دمای اتاق (25±1°ج). هر داده میانگین سه آزمایش تکراری است.

1.3 محاسبه داده های تجربی

مبنای نظری برای استفاده از تکنیک فتیله ستونی برای آزمایش انرژی سطحی مواد پودری، معادله اشباع Washburn (معادله نفوذ Washburn) است.

1.3.1 تعیین شعاع موثر مویرگی Reff نمونه اندازه گیری شده

هنگام استفاده از فرمول غوطه وری Washburn، شرط رسیدن به خیس شدن کامل cos=1 است. این بدان معنی است که وقتی مایعی برای غوطه ور شدن در یک جامد برای رسیدن به شرایط کاملاً مرطوب انتخاب می شود، می توانیم شعاع موثر مویرگی Reff نمونه اندازه گیری شده را با آزمایش فاصله و زمان غوطه وری طبق یک مورد خاص از فرمول غوطه وری Washburn محاسبه کنیم.

1.3.2 محاسبه نیروی لیفشیتز وان دروالس برای نمونه اندازه گیری شده

بر اساس قوانین ترکیب ون اوس-چودری-گود، رابطه بین واکنش های بین مایعات و جامدات.

1.3.3 محاسبه نیروی اسید-باز لوئیس نمونه های اندازه گیری شده

به طور کلی، خواص اسید-باز جامدات از داده های آغشته به آب و فرمامید برآورد می شود. اما در این مقاله متوجه شدیم که هنگام استفاده از این جفت مایعات قطبی برای اندازه گیری سلولز مشکلی وجود ندارد، اما در آزمایش اتر سلولز، زیرا ارتفاع غوطه ور شدن سیستم محلول قطبی آب/فورمامید در اتر سلولز بسیار کم است. ، ضبط زمان را بسیار دشوار می کند. بنابراین، سیستم محلول تولوئن/کلروفرم معرفی شده توسط Chibowsk انتخاب شد. به گفته چیبوفسکی، سیستم محلول قطبی تولوئن/کلروفرم نیز یک گزینه است. زیرا این دو مایع دارای اسیدیته و قلیائیت بسیار خاصی هستند، مثلا تولوئن اسیدیته لوئیس ندارد و کلروفرم قلیاییت لوئیس ندارد. برای اینکه داده‌های به‌دست‌آمده توسط سیستم محلول تولوئن/کلروفرم به سیستم محلول قطبی توصیه‌شده آب/فرامید نزدیک‌تر شود، از این دو سیستم مایع قطبی برای آزمایش سلولز به طور همزمان استفاده می‌کنیم و سپس ضرایب انبساط یا انقباض مربوطه را بدست می‌آوریم. قبل از اعمال داده های به دست آمده از آغشته کردن اتر سلولز با تولوئن/کلروفرم به نتایج به دست آمده برای سیستم آب/فرامید نزدیک است. از آنجایی که اترهای سلولز از سلولز مشتق می شوند و ساختار بسیار مشابهی بین این دو وجود دارد، این روش تخمین ممکن است معتبر باشد.

1.3.4 محاسبه انرژی آزاد سطح کل

2. نتایج و بحث

2.1 استاندارد سلولزی

از آنجایی که نتایج آزمایش ما بر روی نمونه‌های استاندارد سلولزی نشان داد که این داده‌ها با داده‌های گزارش‌شده در ادبیات مطابقت خوبی دارند، منطقی است باور کنیم که نتایج آزمایش روی اترهای سلولزی نیز باید در نظر گرفته شود.

2.2 نتایج آزمایش و بحث در مورد اتر سلولز

در طول آزمایش اتر سلولز، به دلیل ارتفاع بسیار کم آب و فرمامید، ثبت فاصله و زمان غوطه وری بسیار دشوار است. بنابراین، این مقاله سیستم محلول تولوئن/کلروفرم را به عنوان محلول جایگزین انتخاب می‌کند و اسیدیته لوئیس اتر سلولز را بر اساس نتایج آزمایش آب/فرامید و تولوئن/کلروفرم روی سلولز و رابطه متناسب بین دو سیستم محلول تخمین می‌زند. و قدرت قلیایی

با در نظر گرفتن سلولز به عنوان یک نمونه استاندارد، یک سری از ویژگی های اسید-باز اترهای سلولزی ارائه می شود. از آنجایی که نتیجه آغشته کردن اتر سلولز به تولوئن/کلروفرم مستقیماً آزمایش می شود، قانع کننده است.

این بدان معناست که نوع و وزن مولکولی جانشین ها بر خواص اسید-باز اتر سلولز و رابطه بین دو جانشین هیدروکسی پروپیل و هیدروکسی پروپیل متیل بر روی خواص اسید-باز اتر سلولز و وزن مولکولی کاملاً متضاد تأثیر می گذارد. اما می تواند به این واقعیت نیز مربوط باشد که نمایندگان مجلس جایگزین های مختلط هستند.

از آنجایی که جانشین های MO43 و K8913 متفاوت هستند و وزن مولکولی یکسانی دارند، به عنوان مثال، جایگزین اولی هیدروکسی متیل و جایگزین دومی هیدروکسی پروپیل است، اما وزن مولکولی هر دو 100000 است، بنابراین به این معناست که فرض با وزن مولکولی یکسان تحت شرایط، S+ و S- گروه هیدروکسی متیل ممکن است کوچکتر از گروه هیدروکسی پروپیل باشد. اما درجه جایگزینی نیز ممکن است، زیرا درجه جایگزینی K8913 حدود 3.00 است، در حالی که درجه جایگزینی MO43 تنها 1.90 است.

از آنجایی که درجه جانشینی و جانشین های K8913 و K9113 یکسان است اما فقط وزن مولکولی متفاوت است، مقایسه بین این دو نشان می دهد که S+ هیدروکسی پروپیل سلولز با افزایش وزن مولکولی کاهش می یابد، اما S- برعکس افزایش می یابد. .

از خلاصه نتایج آزمایش انرژی سطحی تمام اترهای سلولزی و اجزای آنها می توان دریافت که چه سلولز باشد و چه اتر سلولزی، مؤلفه اصلی انرژی سطحی آنها نیروی لیفشیتز وان دروالس است. حدود 98٪ ~ 99٪. علاوه بر این، نیروهای لیفشیتز وان دروالس این اترهای سلولز غیریونی (به جز MO43) نیز عمدتاً بیشتر از سلولز هستند، که نشان می‌دهد فرآیند اتریفیکاسیون سلولز نیز فرآیند افزایش نیروهای لیفشیتز وان دروالز است. و این افزایش ها باعث می شود که انرژی سطحی اتر سلولز بیشتر از سلولز باشد. این پدیده بسیار جالب است زیرا این اترهای سلولزی معمولاً در تولید سورفکتانت ها استفاده می شوند. اما داده ها قابل توجه هستند، نه تنها به این دلیل که داده های مربوط به نمونه استاندارد مرجع آزمایش شده در این آزمایش بسیار با مقدار گزارش شده در ادبیات مطابقت دارد، داده های مربوط به نمونه استاندارد مرجع بسیار با مقدار گزارش شده در ادبیات مطابقت دارد. مثال: همه این سلولزها SAB اترها به طور قابل توجهی کوچکتر از سلولز است و این به دلیل پایه های لوئیس بسیار بزرگ آنها است. تحت فرض همان جانشین و درجه جانشینی، انرژی آزاد سطحی هیدروکسی پروپیل سلولز متناسب با وزن مولکولی است. در حالی که انرژی آزاد سطح هیدروکسی پروپیل متیل سلولز با درجه جانشینی متناسب و با وزن مولکولی نسبت معکوس دارد.

علاوه بر این، چون اترهای سلولزی دارای SLW بزرگتر از سلولز هستند، اما از قبل می دانیم که پراکندگی آنها بهتر از سلولز است، بنابراین می توان در ابتدا در نظر گرفت که جزء اصلی SLW تشکیل دهنده اترهای سلولز غیریونی باید نیروی لندن باشد.

3. نتیجه گیری

مطالعات نشان داده است که نوع جانشین، درجه جانشینی و وزن مولکولی تأثیر زیادی بر انرژی سطحی و ترکیب اتر سلولز غیریونی دارد. و به نظر می رسد این تأثیر دارای نظم زیر است:

(1) S+ اتر سلولز غیر یونی کوچکتر از S- است.

(2) انرژی سطحی اتر سلولز غیریونی تحت تأثیر نیروی لیفشیتز-واندروالس است.

(3) وزن مولکولی و جایگزین‌ها بر انرژی سطحی اترهای سلولز غیریونی تأثیر دارند، اما عمدتاً به نوع جایگزین‌ها بستگی دارد.

(4) با فرض همان جانشین و درجه جانشینی، انرژی آزاد سطحی هیدروکسی پروپیل سلولز متناسب با وزن مولکولی است. در حالی که انرژی آزاد سطح هیدروکسی پروپیل متیل سلولز با درجه جانشینی متناسب و با وزن مولکولی نسبت معکوس دارد.

(5) فرآیند اتریفیکاسیون سلولز فرآیندی است که در آن نیروی لیفشیتز وان دروالس افزایش می‌یابد و همچنین فرآیندی است که در آن اسیدیته لوئیس کاهش و قلیاییت لوئیس افزایش می‌یابد.