چه رابطه ای بین DS و وزن مولکولی سدیم CMC وجود دارد

سدیم کربوکسی متیل سلولز (CMC) یک پلیمر همه کاره محلول در آب است که از سلولز، یک پلی ساکارید طبیعی موجود در دیواره سلولی گیاه، مشتق شده است. این ماده به دلیل خواص و عملکردهای منحصر به فرد خود در صنایع مختلف از جمله مواد غذایی، دارویی، آرایشی، نساجی و حفاری نفت کاربرد فراوانی دارد.

ساختار و خواص سدیم CMC:

CMC با اصلاح شیمیایی سلولز سنتز می شود، که در آن گروه های کربوکسی متیل (-CH2-COOH) از طریق واکنش های اتریفیکاسیون یا استریفیکاسیون به ستون فقرات سلولز وارد می شوند. درجه جانشینی (DS) به میانگین تعداد گروه های کربوکسی متیل در واحد گلوکز در زنجیره سلولزی اشاره دارد. مقادیر DS معمولاً بسته به شرایط سنتز و خواص مورد نظر CMC از 0.2 تا 1.5 متغیر است.

وزن مولکولی CMC به اندازه متوسط ​​زنجیره های پلیمری اشاره دارد و بسته به عواملی مانند منبع سلولز، روش سنتز، شرایط واکنش و تکنیک های تصفیه می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. وزن مولکولی اغلب با پارامترهایی مانند وزن مولکولی میانگین عددی (Mn)، وزن مولکولی متوسط ​​وزن (Mw) و وزن مولکولی متوسط ​​ویسکوزیته (Mv) مشخص می شود.

سنتز سدیم CMC:

سنتز CMC معمولاً شامل واکنش سلولز با هیدروکسید سدیم (NaOH) و اسید کلرواستیک (ClCH2COOH) یا نمک سدیم آن (NaClCH2COOH) است. واکنش از طریق جایگزینی هسته دوست ادامه می یابد، جایی که گروه های هیدروکسیل (-OH) روی ستون فقرات سلولزی با گروه های کلرواستیل (-ClCH2COOH) واکنش می دهند و گروه های کربوکسی متیل (-CH2-COOH) را تشکیل می دهند.

DS CMC را می توان با تنظیم نسبت مولی اسید کلرواستیک به سلولز، زمان واکنش، دما، pH و سایر پارامترها در طول سنتز کنترل کرد. مقادیر بالاتر DS معمولاً با غلظت های بالاتر اسید کلرواستیک و زمان واکنش طولانی تر به دست می آید.

وزن مولکولی CMC تحت تأثیر عوامل مختلفی از جمله توزیع وزن مولکولی ماده سلولز اولیه، میزان تخریب در طول سنتز و درجه پلیمریزاسیون زنجیره‌های CMC قرار دارد. روش های مختلف سنتز و شرایط واکنش می تواند منجر به CMC با توزیع وزن مولکولی متفاوت و اندازه متوسط ​​شود.

رابطه بین DS و وزن مولکولی:

رابطه بین درجه جانشینی (DS) و وزن مولکولی سدیم کربوکسی متیل سلولز (CMC) پیچیده است و تحت تأثیر عوامل متعدد مربوط به سنتز، ساختار و خواص CMC است.

1. اثر DS بر وزن مولکولی:
   • مقادیر بالاتر DS معمولاً با وزن مولکولی کمتر CMC مطابقت دارد. این به این دلیل است که مقادیر بالاتر DS نشان‌دهنده درجه بیشتری از جایگزینی گروه‌های کربوکسی متیل بر روی ستون فقرات سلولزی است که منجر به زنجیره‌های پلیمری کوتاه‌تر و وزن‌های مولکولی کمتر می‌شود.
   • معرفی گروه‌های کربوکسی متیل پیوند هیدروژنی بین مولکولی بین زنجیره‌های سلولزی را مختل می‌کند و در نتیجه بریدگی و تکه تکه شدن زنجیره در طول سنتز ایجاد می‌شود. این فرآیند تخریب می تواند منجر به کاهش وزن مولکولی CMC، به ویژه در مقادیر بالاتر DS و واکنش های گسترده تر شود.
   • برعکس، مقادیر کمتر DS به طور متوسط ​​با زنجیره های پلیمری طولانی تر و وزن مولکولی بالاتر همراه است. این به این دلیل است که درجات جایگزینی کمتر منجر به گروه‌های کربوکسی متیل کمتر در واحد گلوکز می‌شود که به بخش‌های طولانی‌تری از زنجیره‌های سلولزی اصلاح‌نشده اجازه می‌دهد دست نخورده باقی بمانند.
2. اثر وزن مولکولی بر DS:
   • وزن مولکولی CMC می تواند بر درجه جایگزینی به دست آمده در طول سنتز تأثیر بگذارد. وزن‌های مولکولی بالاتر سلولز ممکن است مکان‌های واکنش‌پذیرتری را برای واکنش‌های کربوکسی متیلاسیون فراهم کند، که اجازه می‌دهد تا درجه بالاتری از جایگزینی تحت شرایط خاص به دست آید.
   • با این حال، وزن‌های مولکولی بیش از حد بالای سلولز ممکن است دسترسی به گروه‌های هیدروکسیل را برای واکنش‌های جایگزینی مانع شود، که منجر به کربوکسی متیلاسیون ناقص یا ناکارآمد و مقادیر DS پایین‌تر می‌شود.
   • علاوه بر این، توزیع وزن مولکولی ماده سلولز آغازین می‌تواند بر توزیع مقادیر DS در محصول CMC حاصل تأثیر بگذارد. ناهمگونی در وزن مولکولی ممکن است منجر به تغییرات در واکنش پذیری و راندمان جایگزینی در طول سنتز شود که منجر به طیف وسیع تری از مقادیر DS در محصول نهایی CMC می شود.

تاثیر DS و وزن مولکولی بر خواص و کاربردهای CMC:

1. خواص رئولوژیکی:
   • درجه جانشینی (DS) و وزن مولکولی CMC می تواند بر خواص رئولوژیکی آن از جمله ویسکوزیته، رفتار نازک شدن برشی و تشکیل ژل تأثیر بگذارد.
   • مقادیر بالاتر DS عموماً منجر به ویسکوزیته کمتر و رفتار شبه پلاستیک (نازک شدن برشی) بیشتر به دلیل زنجیره های پلیمری کوتاه تر و کاهش درهم تنیدگی مولکولی می شود.
   • برعکس، مقادیر کمتر DS و وزن‌های مولکولی بالاتر تمایل به افزایش ویسکوزیته و بهبود رفتار شبه پلاستیک محلول‌های CMC دارند که منجر به بهبود خواص ضخیم شدن و تعلیق می‌شود.
2. حلالیت در آب و رفتار تورم:
   • CMC با مقادیر DS بالاتر به دلیل غلظت بالاتر گروه‌های کربوکسی متیل آبدوست در امتداد زنجیره‌های پلیمری، حلالیت بیشتر در آب و سرعت هیدراتاسیون سریع‌تر را نشان می‌دهد.
   • با این حال، مقادیر بیش از حد DS ممکن است منجر به کاهش حلالیت در آب و افزایش تشکیل ژل، به ویژه در غلظت های بالا یا در حضور کاتیون های چند ظرفیتی شود.
   • وزن مولکولی CMC می تواند بر رفتار تورم و خواص نگهداری آب آن تأثیر بگذارد. وزن‌های مولکولی بالاتر معمولاً منجر به سرعت هیدراتاسیون آهسته‌تر و ظرفیت نگهداری آب بیشتر می‌شود که می‌تواند در کاربردهایی که نیاز به رهاسازی پایدار یا کنترل رطوبت دارند مفید باشد.
3. ویژگی های تشکیل فیلم و مانع:
   • فیلم‌های CMC که از محلول‌ها یا پراکندگی‌ها به وجود می‌آیند، خاصیت بازدارندگی در برابر اکسیژن، رطوبت و سایر گازها از خود نشان می‌دهند و آنها را برای کاربردهای بسته‌بندی و پوشش‌دهی مناسب می‌سازد.
   • DS و وزن مولکولی CMC می تواند بر استحکام مکانیکی، انعطاف پذیری و نفوذپذیری فیلم های حاصل تأثیر بگذارد. مقادیر بالاتر DS و وزن‌های مولکولی کمتر ممکن است به لایه‌هایی با استحکام کششی کمتر و نفوذپذیری بالاتر به دلیل زنجیره‌های پلیمری کوتاه‌تر و کاهش برهم‌کنش‌های بین مولکولی منجر شود.
4. کاربرد در صنایع مختلف:
   • CMC با مقادیر DS و وزن‌های مولکولی متفاوت در صنایع مختلف از جمله مواد غذایی، دارویی، آرایشی، نساجی و حفاری نفت کاربرد دارد.
   • در صنایع غذایی از CMC به عنوان قوام دهنده، تثبیت کننده و امولسیفایر در محصولاتی مانند سس ها، سس ها و نوشیدنی ها استفاده می شود. انتخاب گرید CMC به بافت مورد نظر، حس دهان و نیازهای پایداری محصول نهایی بستگی دارد.
   • در فرمولاسیون های دارویی، CMC به عنوان یک چسبنده، تجزیه کننده و عامل تشکیل دهنده فیلم در قرص ها، کپسول ها و سوسپانسیون های خوراکی عمل می کند. DS و وزن مولکولی CMC می تواند بر سینتیک انتشار دارو، فراهمی زیستی و انطباق بیمار تأثیر بگذارد.
   • در صنعت آرایشی و بهداشتی، از CMC در کرم ها، لوسیون ها و محصولات مراقبت از مو به عنوان ضخیم کننده، تثبیت کننده و مرطوب کننده استفاده می شود. انتخاب درجه CMC به عواملی مانند بافت، قابلیت پخش و ویژگی های حسی بستگی دارد.
   • در صنعت حفاری نفت، CMC در سیالات حفاری به عنوان ویسکوزیفایر، عامل کنترل اتلاف سیال و بازدارنده شیل استفاده می شود. DS و وزن مولکولی CMC می تواند بر عملکرد آن در حفظ پایداری چاه، کنترل از دست دادن مایعات و مهار تورم خاک رس تأثیر بگذارد.

نتیجه گیری:

رابطه بین درجه جانشینی (DS) و وزن مولکولی سدیم کربوکسی متیل سلولز (CMC) پیچیده است و تحت تأثیر عوامل متعدد مربوط به سنتز، ساختار و خواص CMC است. مقادیر بالاتر DS عموماً با وزن‌های مولکولی کمتر CMC مطابقت دارد، در حالی که مقادیر DS پایین و وزن‌های مولکولی بالاتر منجر به زنجیره‌های پلیمری طولانی‌تر و وزن‌های مولکولی بالاتر به طور متوسط ​​می‌شوند. درک این رابطه برای بهینه سازی خواص و عملکرد CMC در کاربردهای مختلف در صنایع از جمله مواد غذایی، دارویی، آرایشی، منسوجات و حفاری نفت بسیار مهم است. تلاش‌های تحقیق و توسعه بیشتر برای روشن کردن مکانیسم‌های اساسی و بهینه‌سازی سنتز و توصیف CMC با توزیع‌های وزن مولکولی و DS مناسب برای کاربردهای خاص مورد نیاز است.