سنتز و خواص رئولوژیکی هیدروکسی اتیل سلولز اتر

در حضور یک کاتالیزور قلیایی خود ساخته، هیدروکسی اتیل صنعتی سلولز با معرف کاتیونیزاسیون N-(2،3-اپوکسی پروپیل) تری متیل آمونیوم کلرید (GTA) واکنش داده شد تا آمونیوم چهارتایی با جایگزینی بالا به روش خشک، نوع نمک هیدروکسی اتیل سلولز اتر (HEC). اثرات نسبت GTA به هیدروکسی اتیل سلولز (HEC)، نسبت NaOH به HEC، دمای واکنش و زمان واکنش بر بازده واکنش با یک طرح آزمایشی یکنواخت بررسی شد و شرایط فرآیند بهینه از طریق Monte به دست آمد. شبیه سازی کارلو و راندمان واکنش معرف اتریفیکاسیون کاتیونی از طریق تأیید تجربی به 95٪ می رسد. در همان زمان، خواص رئولوژیکی آن مورد بحث قرار گرفت. نتایج نشان داد که راه حلHEC ویژگی های سیال غیر نیوتنی را نشان داد و ویسکوزیته ظاهری آن با افزایش غلظت جرم محلول افزایش یافت. در غلظت معینی از محلول نمک، ویسکوزیته ظاهریHEC با افزایش غلظت نمک افزوده کاهش یافت. تحت همان نرخ برش، ویسکوزیته ظاهریHEC در سیستم محلول CaCl2 بالاتر از آن استHEC در سیستم محلول NaCl

کلمات کلیدی:هیدروکسی اتیلاتر سلولز؛ فرآیند خشک؛ خواص رئولوژیکی

سلولز دارای ویژگی های منابع غنی، زیست تخریب پذیری، زیست سازگاری و مشتق سازی آسان است و یک کانون تحقیقاتی در بسیاری از زمینه ها است. سلولز کاتیونی یکی از مهمترین نمایندگان مشتقات سلولز است. در بین پلیمرهای کاتیونی برای محصولات حفاظت فردی ثبت شده توسط CTFA انجمن صنعت عطر، مصرف آن اولین است. می توان آن را به طور گسترده در افزودنی های حالت دهنده مو، نرم کننده ها، مهار کننده های هیدراتاسیون شیل حفاری و عوامل ضد انعقاد خون و سایر زمینه ها استفاده کرد.

در حال حاضر روش تهیه اتر هیدروکسی اتیل سلولز کاتیونی آمونیوم چهارتایی یک روش حلال است که نیاز به مقدار زیادی حلال آلی گران قیمت، پرهزینه، ناایمن و آلودگی محیط زیست دارد. در مقایسه با روش حلال، روش خشک دارای مزایای برجسته فرآیند ساده، راندمان واکنش بالا و آلودگی محیطی کمتر است. در این مقاله اتر سلولز کاتیونی به روش خشک سنتز شد و رفتار رئولوژیکی آن مورد بررسی قرار گرفت.

1. بخش تجربی

1.1 مواد و معرف ها

هیدروکسی اتیل سلولز (محصول صنعتی HEC، درجه جایگزینی مولکولی آن DS 1.8~2.0 است). معرف کاتیونیزاسیون N-(2،3-اپوکسی پروپیل) تری متیل آمونیوم کلرید (GTA)، تهیه شده از کلرید اپوکسی پروپان و تری متیل آمین تحت شرایط خاصی خودساخته می شوند. کاتالیزور قلیایی خود ساخته؛ اتانول و اسید استیک یخچالی از نظر تحلیلی خالص هستند. NaCl، KCl، CaCl2 و AlCl3 معرفهای شیمیایی خالص هستند.

1.2 تهیه سلولز کاتیونی آمونیوم چهارتایی

5 گرم هیدروکسی اتیل سلولز و مقدار مناسب کاتالیزور قلیایی خانگی را به یک استوانه فولادی استوانه ای مجهز به همزن اضافه کنید و به مدت 20 دقیقه در دمای اتاق هم بزنید. سپس مقدار معینی از GTA را اضافه کنید، به مدت 30 دقیقه در دمای اتاق به هم زدن ادامه دهید و در دما و زمان معینی واکنش دهید، یک محصول خام جامد اساساً بر اساس آن به دست آمد. محصول خام در محلول اتانول حاوی مقدار مناسب اسید استیک خیس می شود، فیلتر می شود، شسته می شود و در خلاء خشک می شود تا سلولز کاتیونی آمونیوم چهارتایی پودری به دست آید.

1.3 تعیین کسر جرمی نیتروژن هیدروکسی اتیل سلولز کاتیونی آمونیوم چهارتایی

کسر جرمی نیتروژن در نمونه ها به روش کجلدال تعیین شد.

2. طراحی آزمایشی و بهینه سازی فرآیند سنتز خشک

برای طراحی آزمایش از روش طراحی یکنواخت استفاده شد و اثرات نسبت GTA به هیدروکسی اتیل سلولز (HEC)، نسبت NaOH به HEC، دمای واکنش و زمان واکنش بر بازده واکنش بررسی شد.

3. تحقیق در مورد خواص رئولوژیکی

3.1 تأثیر تمرکز و سرعت چرخش

در نظر گرفتن اثر نرخ برش بر ویسکوزیته ظاهریHEC در غلظت های مختلف Ds=0.11 به عنوان مثال، می توان مشاهده کرد که با افزایش تدریجی نرخ برش از 0.05 به 0.5 s-1، ویسکوزیته ظاهریHEC محلول کاهش می یابد، به ویژه در 0.05 ~ 0.5s-1 ویسکوزیته ظاهری به شدت از 160MPa کاهش یافته است.·s تا 40MPa·s، نازک شدن برشی، نشان می دهد کهHEC محلول آبی خواص رئولوژیکی غیر نیوتنی را نشان داد. اثر تنش برشی اعمال شده، کاهش نیروی اندرکنش بین ذرات فاز پراکنده است. تحت شرایط خاص، هر چه نیرو بیشتر باشد، ویسکوزیته ظاهری بیشتر است.

همچنین از ویسکوزیته ظاهری 3% و 4% قابل مشاهده است.HEC محلول های آبی که غلظت جرمی آنها به ترتیب 3% و 4% در نرخ های برش متفاوت است. ویسکوزیته ظاهری محلول نشان می دهد که توانایی افزایش ویسکوزیته آن با غلظت افزایش می یابد. دلیل آن این است که با افزایش غلظت در سیستم محلول، دافعه متقابل بین مولکول های زنجیره اصلیHEC و بین زنجیره های مولکولی افزایش می یابد و ویسکوزیته ظاهری افزایش می یابد.

3.2 اثر غلظت های مختلف نمک اضافه شده

غلظت ازHEC در 3 درصد ثابت شد و اثر افزودن نمک نمک طعام بر خواص ویسکوزیته محلول در نرخ های برشی مختلف بررسی شد.

از نتایج می توان دریافت که ویسکوزیته ظاهری با افزایش غلظت نمک اضافه شده کاهش می یابد و پدیده پلی الکترولیت آشکار را نشان می دهد. این به این دلیل است که بخشی از Na+ در محلول نمک به آنیون آن متصل استHEC زنجیره جانبی هر چه غلظت محلول نمک بیشتر باشد، درجه خنثی شدن یا محافظ پلی یون توسط یون ضد و کاهش دافعه الکترواستاتیک و در نتیجه کاهش چگالی بار پلییون بیشتر می شود. زنجیره پلیمری منقبض شده و پیچ خورده و غلظت ظاهری آن کاهش می یابد.

3.3 تأثیر نمک های افزوده شده مختلف بر

این را می توان از تأثیر دو نمک افزوده متفاوت Nacl و CaCl2 بر ویسکوزیته ظاهری مشاهده کرد.HEC محلولی که ویسکوزیته ظاهری با افزودن نمک اضافه شده کاهش می یابد و با همان سرعت برش، ویسکوزیته ظاهریHEC محلول در سیستم محلول CaCl2 ویسکوزیته ظاهری به طور قابل توجهی بالاتر از ویسکوزیته استHEC محلول در سیستم محلول NaCl دلیل آن این است که نمک کلسیم یک یون دو ظرفیتی است و اتصال آن به Cl- زنجیره جانبی پلی الکترولیت آسان تر است. ترکیب گروه آمونیوم چهارتایی درHEC با Cl- کاهش می یابد و محافظ کمتر است و چگالی بار زنجیره پلیمری بیشتر می شود و در نتیجه دافعه الکترواستاتیکی روی زنجیره پلیمری بزرگتر می شود و زنجیره پلیمری کشیده می شود بنابراین ویسکوزیته ظاهری بیشتر می شود.

4. نتیجه گیری

تهیه خشک سلولز کاتیونی بسیار جایگزین، روشی ایده آل با عملیات ساده، راندمان واکنش بالا و آلودگی کمتر است و می تواند از مصرف بالای انرژی، آلودگی محیطی و سمیت ناشی از استفاده از حلال ها جلوگیری کند.

محلول اتر سلولز کاتیونی ویژگی های سیال غیر نیوتنی را ارائه می دهد و دارای ویژگی های نازک شدن برشی است. با افزایش غلظت جرم محلول، ویسکوزیته ظاهری آن افزایش می یابد. در غلظت معینی از محلول نمک،HEC ویسکوزیته ظاهری با افزایش و کاهش افزایش می یابد. تحت همان نرخ برش، ویسکوزیته ظاهریHEC در سیستم محلول CaCl2 بالاتر از آن استHEC در سیستم محلول NaCl