خواص محلول اتر سلولز کاتیونی

خواص محلول رقیق یک اتر سلولز کاتیونی با چگالی بالا (KG-30M) در مقادیر مختلف pH با یک ابزار پراکندگی لیزری، از شعاع هیدرودینامیکی (Rh) در زوایای مختلف، و ریشه میانگین شعاع مربع چرخش مورد مطالعه قرار گرفت. Rg نسبت به Rh استنباط می کند که شکل آن نامنظم اما نزدیک به کروی است. سپس با کمک رئومتر، سه محلول غلیظ از اترهای سلولز کاتیونی با چگالی بار متفاوت مورد بررسی قرار گرفت و تاثیر غلظت، مقدار pH و چگالی بار خود بر خواص رئولوژیکی آن مورد بحث قرار گرفت. با افزایش غلظت، توان نیوتن ابتدا کاهش و سپس کاهش یافت. نوسان و یا حتی بازگشت رخ می دهد، و رفتار تیکسوتروپیک در 3٪ (کسر جرمی) رخ می دهد. چگالی بار متوسط ​​برای به دست آوردن ویسکوزیته برشی صفر بالاتر مفید است و pH تأثیر کمی بر ویسکوزیته آن دارد.

کلمات کلیدی:اتر سلولز کاتیونی; مورفولوژی؛ ویسکوزیته برشی صفر؛ رئولوژی

مشتقات سلولز و پلیمرهای عملکردی اصلاح شده آنها به طور گسترده در زمینه محصولات فیزیولوژیکی و بهداشتی، پتروشیمی، دارو، غذا، محصولات مراقبت شخصی، بسته بندی و غیره استفاده می شود. اتر سلولز کاتیونی محلول در آب (CCE) به دلیل ضخیم شدن قوی آن است. این ماده به طور گسترده در مواد شیمیایی روزانه به ویژه شامپوها استفاده می شود و می تواند شانه پذیری مو را بعد از شامپو بهبود بخشد. در عین حال به دلیل سازگاری خوبی که دارد می توان از آن در شامپوهای دو در یک و همه در یک استفاده کرد. همچنین چشم انداز کاربردی خوبی دارد و توجه کشورهای مختلف را به خود جلب کرده است. در ادبیات گزارش شده است که محلول‌های مشتق از سلولز با افزایش غلظت، رفتارهایی مانند سیال نیوتنی، سیال کاذب پلاستیک، سیال تیکسوتروپیک و سیال ویسکوالاستیک از خود نشان می‌دهند، اما مورفولوژی، رئولوژی و عوامل مؤثر اتر سلولز کاتیونی در محلول‌های آبی کم هستند. گزارش های تحقیقاتی این مقاله بر روی رفتار رئولوژیکی محلول آبی سلولز اصلاح شده با آمونیوم چهارتایی تمرکز دارد تا مرجعی برای کاربرد عملی ارائه دهد.

1. بخش تجربی

1.1 مواد اولیه

اتر سلولز کاتیونی (KG-30M، JR-30M، LR-30M)؛ محصول Canada Dow Chemical Company، ارائه شده توسط Procter & Gamble Company Kobe R & D Center در ژاپن، اندازه گیری شده توسط تحلیلگر عنصری Vario EL (شرکت عنصر آلمانی)، نمونه محتوای نیتروژن به ترتیب 2.7٪، 1.8٪، 1.0٪ است (چگالی شارژ برابر است. به ترتیب 1.9 Meq/g، 1.25 Meq/g، 0.7 Meq/g) و توسط دستگاه پراکنده نور لیزری ALV-5000E آلمان (LLS) آزمایش شده است که وزن مولکولی آن به طور متوسط ​​حدود 1.64 است.×106 گرم در مول.

1.2 آماده سازی محلول

نمونه با فیلتراسیون، دیالیز و خشک کردن انجمادی خالص سازی شد. یک سری از سه نمونه کمی را به ترتیب وزن کرده و محلول بافر استاندارد با pH 4.00، 6.86، 9.18 را برای تهیه غلظت مورد نیاز اضافه کنید. به منظور اطمینان از حل شدن کامل نمونه ها، تمام محلول های نمونه قبل از آزمایش به مدت 48 ساعت روی یک همزن مغناطیسی قرار گرفتند.

1.3 اندازه گیری پراکندگی نور

از LLS برای اندازه گیری میانگین وزن مولکولی نمونه در محلول آبی رقیق، شعاع هیدرودینامیکی و ریشه میانگین شعاع مربع چرخش هنگام ضریب پرز دوم و زوایای مختلف استفاده کنید، و استنباط کنید که این اتر سلولز کاتیونی در محلول آبی با وضعیت نسبت آن.

1.4 اندازه گیری ویسکوزیته و بررسی رئولوژیکی

محلول غلیظ CCE توسط رئومتر Brookfield RVDV-III+ مورد مطالعه قرار گرفت و تأثیر غلظت، چگالی بار و مقدار pH بر خواص رئولوژیکی مانند ویسکوزیته نمونه بررسی شد. در غلظت های بالاتر، بررسی تیکسوتروپی آن ضروری است.

2. نتایج و بحث

2.1 تحقیق در مورد پراکندگی نور

به دلیل ساختار مولکولی خاص آن، وجود آن در قالب یک مولکول منفرد حتی در یک حلال خوب، اما به شکل میسل‌ها، خوشه‌ها یا انجمن‌های پایدار خاص، دشوار است.

هنگامی که محلول آبی رقیق (~o.1٪) CCE با میکروسکوپ پلاریزه مشاهده شد، در زیر زمینه میدان متعامد متقاطع سیاه، نقاط روشن "ستاره" و میله های روشن ظاهر شد. بیشتر با پراکندگی نور، شعاع هیدرودینامیکی دینامیکی در pH و زوایای مختلف، ریشه میانگین شعاع مربع چرخش و ضریب پرز دوم به‌دست‌آمده از نمودار بری در Tab ذکر شده است. 1. نمودار توزیع تابع شعاع هیدرودینامیکی به دست آمده در غلظت 10-5 عمدتاً یک پیک منفرد است، اما توزیع بسیار گسترده است (شکل 1)، که نشان می دهد انجمن های سطح مولکولی و توده های بزرگ در سیستم وجود دارد. ; تغییراتی وجود دارد و مقادیر Rg/Rb تقریباً 0.775 است که نشان می‌دهد شکل CCE در محلول نزدیک به کروی است، اما به اندازه کافی منظم نیست. اثر pH بر Rb و Rg آشکار نیست. یون ضد در محلول بافر با CCE برهمکنش می کند تا از بار روی زنجیره جانبی خود محافظت کند و آن را منقبض کند، اما تفاوت با نوع ضدیون متفاوت است. اندازه‌گیری پراکندگی نور پلیمرهای باردار مستعد برهم‌کنش نیروی دوربرد و تداخل خارجی است، بنابراین خطاها و محدودیت‌های خاصی در خصوصیات LLS وجود دارد. هنگامی که کسر جرمی بیشتر از 0.02٪ باشد، اکثراً قله های دوتایی جدا نشدنی یا حتی چندین قله در نمودار توزیع Rh وجود دارد. با افزایش غلظت، Rh نیز افزایش می‌یابد، که نشان می‌دهد درشت مولکول‌های بیشتری مرتبط یا حتی تجمع می‌یابند. وقتی کائو و همکاران از پراکندگی نور برای مطالعه کوپلیمر کربوکسی متیل سلولز و ماکرومرهای فعال سطحی استفاده کرد، همچنین پیک های دوگانه جدایی ناپذیری وجود داشت که یکی از آنها بین 30 تا 100 نانومتر بود که نشان دهنده تشکیل میسل ها در سطح مولکولی بود و دیگری پیک Rh نسبتاً است. بزرگ است که به عنوان یک کل در نظر گرفته می شود که مشابه نتایج تعیین شده در این مقاله است.

2.2 تحقیق در مورد رفتار رئولوژیکی

2.2.1 اثر تمرکز:ویسکوزیته ظاهری محلول‌های KG-30M را با غلظت‌های مختلف در نرخ‌های برشی متفاوت و با توجه به شکل لگاریتمی معادله قانون توان پیشنهادی استوالد-دوائل، زمانی که کسر جرمی از 0.7٪ تجاوز نمی‌کند و یک سری خطوط مستقیم اندازه‌گیری کنید. با ضرایب همبستگی خطی بیشتر از 0.99 به دست آمد. و با افزایش غلظت، مقدار توان نیوتن n کاهش می یابد (همه کمتر از 1)، که یک سیال شبه پلاستیک آشکار را نشان می دهد. زنجیره های ماکرومولکولی با نیروی برشی شروع به گره خوردن و جهت گیری می کنند، بنابراین ویسکوزیته کاهش می یابد. هنگامی که کسر جرمی بیشتر از 0.7٪ باشد، ضریب همبستگی خطی خط مستقیم به دست آمده کاهش می یابد (حدود 0.98)، و n با افزایش غلظت شروع به نوسان می کند یا حتی افزایش می یابد. هنگامی که کسر جرمی به 3% می رسد (شکل 2)، جدول ویسکوزیته ظاهری ابتدا افزایش می یابد و سپس با افزایش نرخ برش کاهش می یابد. این سری از پدیده ها با گزارش های دیگر محلول های پلیمری آنیونی و کاتیونی متفاوت است. مقدار n افزایش می یابد، یعنی خاصیت غیر نیوتنی ضعیف می شود. سیال نیوتنی یک مایع چسبناک است و لغزش بین مولکولی تحت اثر تنش برشی رخ می دهد و نمی توان آن را بازیابی کرد. سیال غیر نیوتنی شامل یک بخش الاستیک قابل بازیافت و یک قسمت چسبناک غیر قابل بازیافت است. تحت اثر تنش برشی، لغزش برگشت ناپذیر بین مولکول ها رخ می دهد و در عین حال، به دلیل کشش و جهت گیری ماکرومولکول ها با برش، یک قطعه الاستیک قابل بازیافت تشکیل می شود. هنگامی که نیروی خارجی حذف می‌شود، ماکرومولکول‌ها تمایل دارند به شکل پیچ خورده اولیه برگردند، بنابراین مقدار n بالا می‌رود. غلظت همچنان به افزایش برای تشکیل یک ساختار شبکه ادامه می دهد. هنگامی که تنش برشی کوچک باشد، از بین نمی رود و تنها تغییر شکل الاستیک رخ می دهد. در این زمان، کشش نسبتا افزایش می یابد، ویسکوزیته ضعیف می شود و مقدار n کاهش می یابد. در حالی که تنش برشی به تدریج در طول فرآیند اندازه گیری افزایش می یابد، بنابراین n مقدار نوسان می کند. هنگامی که کسر جرمی به 3% می رسد، ویسکوزیته ظاهری ابتدا افزایش می یابد و سپس کاهش می یابد، زیرا برش کوچک باعث برخورد ماکرومولکول ها برای تشکیل سنگدانه های بزرگ می شود، بنابراین ویسکوزیته افزایش می یابد و تنش برشی به شکستن سنگدانه ها ادامه می دهد. ، ویسکوزیته دوباره کاهش می یابد.

در بررسی تیکسوتروپی، سرعت (r/min) را برای رسیدن به y مورد نظر تنظیم کنید، سرعت را در فواصل زمانی معین افزایش دهید تا به مقدار تنظیم شده برسد و سپس سریعاً از حداکثر سرعت به مقدار اولیه برگردید تا مقدار مربوطه به دست آید. تنش برشی، رابطه آن با نرخ برشی در شکل 3 نشان داده شده است. هنگامی که کسر جرمی کمتر از 2.5٪ است، منحنی رو به بالا و منحنی رو به پایین کاملاً همپوشانی دارند، اما وقتی کسر جرمی 3٪ است، دو خط هیچ همپوشانی طولانی تری دارند و خط رو به پایین عقب می ماند که نشان دهنده تیکسوتروپی است.

وابستگی زمانی تنش برشی به عنوان مقاومت رئولوژیکی شناخته می شود. مقاومت رئولوژیکی یک رفتار مشخص مایعات ویسکوالاستیک و مایعات با ساختار تیکسوتروپیک است. مشخص شد که هرچه y در کسر جرمی یکسان بزرگتر باشد، r سریعتر به تعادل می رسد و وابستگی زمانی کوچکتر است. در کسر جرمی کمتر (<2٪)، CCE مقاومت رئولوژیکی را نشان نمی دهد. هنگامی که کسر جرمی به 2.5٪ افزایش می یابد، وابستگی زمانی قوی نشان می دهد (شکل 4)، و حدود 10 دقیقه طول می کشد تا به تعادل برسد، در حالی که در 3.0٪، زمان تعادل 50 دقیقه طول می کشد. تیکسوتروپی خوب سیستم برای کاربرد عملی مفید است.

2.2.2 اثر چگالی بار:فرم لگاریتمی فرمول تجربی اسپنسر- دیلون انتخاب شده است که در آن ویسکوزیته برش صفر، b در همان غلظت و دمای متفاوت ثابت است و با افزایش غلظت در همان دما افزایش می‌یابد. با توجه به معادله قانون توان که توسط Onogi در سال 1966 تصویب شد، M جرم مولکولی نسبی پلیمر، A و B ثابت هستند و c کسر جرمی (%) است. شکل.5 این سه منحنی دارای نقاط عطف آشکار در حدود 0.6٪ هستند، یعنی یک کسر جرم بحرانی وجود دارد. بیش از 0.6٪، ویسکوزیته برشی صفر با افزایش غلظت C به سرعت افزایش می یابد. منحنی های سه نمونه با چگالی بار متفاوت بسیار نزدیک هستند. در مقابل، هنگامی که کسر جرمی بین 0.2٪ و 0.8٪ است، ویسکوزیته برش صفر نمونه LR با کمترین چگالی بار، بزرگترین است، زیرا ارتباط پیوند هیدروژنی به تماس خاصی نیاز دارد. بنابراین، چگالی بار ارتباط نزدیکی با این دارد که آیا ماکرومولکول ها می توانند به شیوه ای منظم و فشرده مرتب شوند یا خیر. از طریق آزمایش DSC، مشخص شد که LR دارای یک پیک تبلور ضعیف است که نشان دهنده چگالی بار مناسب است و ویسکوزیته برشی صفر در همان غلظت بالاتر است. هنگامی که کسر جرمی کمتر از 0.2٪ باشد، LR کوچکترین است، زیرا در محلول رقیق، ماکرومولکول‌هایی با چگالی بار پایین بیشتر احتمال دارد جهت سیم پیچ را تشکیل دهند، بنابراین ویسکوزیته برشی صفر کم است. این امر از نظر عملکرد ضخیم شدن اهمیت راهنمایی خوبی دارد.

اثر pH 2.2.3: شکل 6 نتیجه اندازه گیری شده در pH های مختلف در محدوده 0.05٪ تا 2.5٪ کسر جرمی است. یک نقطه عطف در حدود 0.45٪ وجود دارد، اما این سه منحنی تقریباً همپوشانی دارند، که نشان می‌دهد pH هیچ تأثیر آشکاری بر ویسکوزیته برشی صفر ندارد، که کاملاً با حساسیت اتر سلولز آنیونی به pH متفاوت است.

3. نتیجه گیری

محلول آبی رقیق KG-30M توسط LLS مورد مطالعه قرار می گیرد و توزیع شعاع هیدرودینامیکی به دست آمده یک پیک منفرد است. از وابستگی زاویه و نسبت Rg/Rb می توان استنباط کرد که شکل آن نزدیک به کروی است، اما به اندازه کافی منظم نیست. برای محلول های CCE با سه چگالی بار، ویسکوزیته با افزایش غلظت افزایش می یابد، اما عدد شکار نیوتن n ابتدا کاهش می یابد، سپس نوسان می کند و حتی افزایش می یابد. pH تأثیر کمی بر ویسکوزیته دارد و چگالی بار متوسط ​​می تواند ویسکوزیته بالاتری به دست آورد.