Effets des substituants et du poids moléculaire sur les propriétés de surface de l'éther de cellulose non ionique

Selon la théorie de l'imprégnation de Washburn (théorie de la pénétration) et la théorie de la combinaison de van Oss-Good-Chaudhury (théorie de la combinaison) et l'application de la technologie de la mèche en colonne (technique de l'évacuation des colonnes), plusieurs éthers de cellulose non ioniques, tels que la méthylcellulose, les propriétés de surface de la cellulose, l'hydroxypropylcellulose et l'hydroxypropylméthylcellulose ont été testées. En raison des différents substituants, degrés de substitution et poids moléculaires de ces éthers de cellulose, leurs énergies de surface et leurs composants sont significativement différents. Les données montrent que la base de Lewis de l'éther de cellulose non ionique est plus grande que l'acide de Lewis et que le composant principal de l'énergie libre de surface est la force de Lifshitz-van der Waals. L'énergie de surface de l'hydroxypropyle et sa composition sont supérieures à celles de l'hydroxyméthyle. En supposant le même substituant et le même degré de substitution, l'énergie libre de surface de l'hydroxypropylcellulose est proportionnelle au poids moléculaire ; tandis que l'énergie libre de surface de l'hydroxypropylméthylcellulose est proportionnelle au degré de substitution et inversement proportionnelle au poids moléculaire. L'expérience a également révélé que l'énergie de surface des substituants hydroxypropyle et hydroxypropylméthyle dans l'éther de cellulose non ionique semble être supérieure à l'énergie de surface de la cellulose, et l'expérience prouve que l'énergie de surface de la cellulose testée et sa composition. conforme à la littérature.

Mots clés : les éthers de cellulose non ioniques ; substituants et degrés de substitution ; poids moléculaire ; propriétés de surface ; technologie de mèche

L'éther de cellulose est une vaste catégorie de dérivés de cellulose, qui peuvent être divisés en éthers anioniques, cationiques et non ioniques en fonction de la structure chimique de leurs substituants éthers. L'éther de cellulose est également l'un des premiers produits recherchés et produits en chimie des polymères. Jusqu'à présent, l'éther de cellulose a été largement utilisé dans l'industrie médicale, hygiénique, cosmétique et alimentaire.

Bien que les éthers de cellulose, tels que l'hydroxyméthylcellulose, l'hydroxypropylcellulose et l'hydroxypropylméthylcellulose, aient été produits industriellement et que bon nombre de leurs propriétés aient été étudiées, leur énergie de surface et leurs propriétés réactives aux acides et aux alcalis n'ont pas été signalées jusqu'à présent. Étant donné que la plupart de ces produits sont utilisés dans un environnement liquide et que les caractéristiques de surface, en particulier les caractéristiques de la réaction acido-basique, sont susceptibles d'affecter leur utilisation, il est très nécessaire d'étudier et de comprendre les caractéristiques chimiques de surface de cet éther de cellulose commercial.

Considérant que les échantillons de dérivés de cellulose sont très faciles à modifier avec le changement des conditions de préparation, cet article utilise des produits commerciaux comme échantillons pour caractériser leur énergie de surface et, sur cette base, l'influence des substituants et des poids moléculaires de ces produits à la surface. les propriétés sont étudiées.

1. Partie expérimentale

1.1 Matières premières

L'éther de cellulose non ionique utilisé dans l'expérience est le produit deKIMA CHEMICAL CO., LTD,. Les échantillons n’ont été soumis à aucun traitement avant les tests.

Étant donné que les dérivés de la cellulose sont constitués de cellulose, que les deux structures sont proches et que les propriétés de surface de la cellulose ont été rapportées dans la littérature, cet article utilise la cellulose comme échantillon standard. L'échantillon de cellulose utilisé portait le nom de code C8002 et a été acheté auprès deKIMA, CN. L'échantillon n'a subi aucun traitement pendant le test.

Les réactifs utilisés dans l'expérience sont : l'éthane, le diiodométhane, l'eau déminéralisée, le formamide, le toluène, le chloroforme. Tous les liquides étaient des produits analytiquement purs, à l'exception de l'eau qui était disponible dans le commerce.

1.2 Méthode expérimentale

Dans cette expérience, la technique de mèche de colonne a été adoptée et une section (environ 10 cm) d'une pipette standard d'un diamètre intérieur de 3 mm a été coupée comme tube de colonne. Mettez à chaque fois 200 mg d'échantillon en poudre dans le tube de la colonne, puis secouez-le pour le rendre uniforme et placez-le verticalement sur le fond du récipient en verre d'un diamètre intérieur d'environ 3 cm, afin que le liquide puisse être adsorbé spontanément. Pesez 1 ml du liquide à tester et mettez-le dans un récipient en verre, et enregistrez simultanément le temps d'immersion t et la distance d'immersion X. Toutes les expériences ont été réalisées à température ambiante (25±1°C). Chaque donnée est la moyenne de trois expériences répétées.

1.3 Calcul des données expérimentales

La base théorique de l'application de la technique d'effet de mèche sur colonne pour tester l'énergie de surface des matériaux en poudre est l'équation d'imprégnation de Washburn (équation de pénétration de Washburn).

1.3.1 Détermination du rayon effectif capillaire Reff de l'échantillon mesuré

Lors de l'application de la formule d'immersion Washburn, la condition pour obtenir un mouillage complet est cos=1. Cela signifie que lorsqu'un liquide est sélectionné pour être immergé dans un solide afin d'obtenir un état complètement humide, nous pouvons calculer le rayon capillaire effectif Reff de l'échantillon mesuré en testant la distance et le temps d'immersion selon un cas particulier de la formule d'immersion Washburn.

1.3.2 Calcul de la force de Lifshitz-van der Waals pour l'échantillon mesuré

Selon les règles de combinaison de van Oss-Chaudhury-Good, la relation entre les réactions entre liquides et solides.

1.3.3 Calcul de la force acido-basique de Lewis des échantillons mesurés

En général, les propriétés acido-basiques des solides sont estimées à partir de données imprégnées d'eau et de formamide. Mais dans cet article, nous avons constaté qu'il n'y a pas de problème lors de l'utilisation de cette paire de liquides polaires pour mesurer la cellulose, mais dans le test de l'éther de cellulose, car la hauteur d'immersion du système de solution polaire eau/formamide dans l'éther de cellulose est trop faible. , ce qui rend l'enregistrement du temps très difficile. Par conséquent, le système de solution toluène/chloroforme introduit par Chibowsk a été sélectionné. Selon Chibowski, un système de solution polaire toluène/chloroforme est également une option. En effet, ces deux liquides ont une acidité et une alcalinité très particulières, par exemple, le toluène n'a pas d'acidité de Lewis et le chloroforme n'a pas d'alcalinité de Lewis. Afin de rapprocher les données obtenues par le système de solution toluène/chloroforme du système de solution polaire recommandé eau/formamide, nous utilisons ces deux systèmes liquides polaires pour tester la cellulose en même temps, puis obtenons les coefficients d'expansion ou de contraction correspondants. avant application Les données obtenues par imprégnation d'éther de cellulose avec du toluène/chloroforme sont proches des conclusions obtenues pour le système eau/formamide. Étant donné que les éthers de cellulose sont dérivés de la cellulose et qu’il existe une structure très similaire entre les deux, cette méthode d’estimation peut être valide.

1.3.4 Calcul de l'énergie libre totale de surface

2. Résultats et discussion

2.1 Étalon de cellulose

Étant donné que nos résultats de tests sur des échantillons standards de cellulose ont révélé que ces données concordent bien avec celles rapportées dans la littérature, il est raisonnable de croire que les résultats de tests sur les éthers de cellulose devraient également être pris en compte.

2.2 Résultats des tests et discussion sur l'éther de cellulose

Lors du test de l'éther de cellulose, il est très difficile d'enregistrer la distance et le temps d'immersion en raison de la très faible hauteur d'immersion de l'eau et du formamide. Par conséquent, cet article choisit le système de solution toluène/chloroforme comme solution alternative et estime l'acidité de Lewis de l'éther de cellulose sur la base des résultats des tests eau/formamide et toluène/chloroforme sur la cellulose et de la relation proportionnelle entre les deux systèmes de solution. et pouvoir alcalin.

En prenant la cellulose comme échantillon standard, une série de caractéristiques acido-basiques des éthers de cellulose sont données. Le résultat de l'imprégnation de l'éther de cellulose avec du toluène/chloroforme étant directement testé, il est convaincant.

Cela signifie que le type et le poids moléculaire des substituants affectent les propriétés acido-basiques de l'éther de cellulose, et la relation entre les deux substituants, hydroxypropyle et hydroxypropylméthyle, sur les propriétés acido-basiques de l'éther de cellulose et le poids moléculaire complètement opposé. Mais cela pourrait aussi être lié au fait que les députés sont des suppléants mixtes.

Puisque les substituants de MO43 et K8913 sont différents et ont le même poids moléculaire, par exemple, le substituant du premier est hydroxyméthyle et le substituant du second est hydroxypropyle, mais le poids moléculaire des deux est de 100 000, cela signifie donc également que le prémisse du même poids moléculaire Dans ces circonstances, les valeurs S+ et S- du groupe hydroxyméthyle peuvent être plus petites que celles du groupe hydroxypropyle. Mais le degré de substitution est également possible, car le degré de substitution du K8913 est d'environ 3,00, alors que celui du MO43 n'est que de 1,90.

Puisque le degré de substitution et les substituants de K8913 et K9113 sont les mêmes mais que seul le poids moléculaire est différent, la comparaison entre les deux montre que le S+ de l'hydroxypropylcellulose diminue avec l'augmentation du poids moléculaire, mais S- augmente au contraire. .

D'après le résumé des résultats des tests de l'énergie de surface de tous les éthers de cellulose et de leurs composants, on peut voir que qu'il s'agisse de cellulose ou d'éther de cellulose, la composante principale de leur énergie de surface est la force de Lifshitz-van der Waals, représentant environ 98 % ~ 99 %. De plus, les forces de Lifshitz-van der Waals de ces éthers de cellulose non ioniques (sauf MO43) sont également pour la plupart supérieures à celles de la cellulose, ce qui indique que le processus d'éthérification de la cellulose est également un processus d'augmentation des forces de Lifshitz-van der Waals. Et ces augmentations conduisent à ce que l’énergie de surface de l’éther de cellulose soit supérieure à celle de la cellulose. Ce phénomène est très intéressant car ces éthers de cellulose sont couramment utilisés dans la production de tensioactifs. Mais les données sont remarquables, non seulement parce que les données sur l'échantillon standard de référence testé dans cette expérience sont extrêmement cohérentes avec la valeur rapportée dans la littérature, mais aussi parce que les données sur l'échantillon standard de référence sont extrêmement cohérentes avec la valeur rapportée dans la littérature, par exemple. exemple : toutes ces celluloses. Le SAB des éthers est nettement plus petit que celui de la cellulose, et cela est dû à leurs très grandes bases de Lewis. En supposant le même substituant et le même degré de substitution, l'énergie libre de surface de l'hydroxypropylcellulose est proportionnelle au poids moléculaire ; tandis que l'énergie libre de surface de l'hydroxypropylméthylcellulose est proportionnelle au degré de substitution et inversement proportionnelle au poids moléculaire.

De plus, étant donné que les éthers de cellulose ont un SLW plus grand que la cellulose, mais que nous savons déjà que leur dispersibilité est meilleure que la cellulose, on peut donc considérer à titre préliminaire que le composant principal du SLW constituant les éthers de cellulose non ioniques devrait être la force de Londres.

3. Conclusion

Des études ont montré que le type de substituant, le degré de substitution et le poids moléculaire ont une grande influence sur l'énergie de surface et la composition de l'éther de cellulose non ionique. Et cet effet semble avoir la régularité suivante :

(1) S+ de l’éther de cellulose non ionique est plus petit que S-.

(2) L'énergie de surface de l'éther de cellulose non ionique est dominée par la force de Lifshitz-van der Waals.

(3) Le poids moléculaire et les substituants ont un effet sur l'énergie de surface des éthers de cellulose non ioniques, mais cela dépend principalement du type de substituants.

(4) Sous l’hypothèse du même substituant et du même degré de substitution, l’énergie libre de surface de l’hydroxypropylcellulose est proportionnelle au poids moléculaire ; tandis que l'énergie libre de surface de l'hydroxypropylméthylcellulose est proportionnelle au degré de substitution et inversement proportionnelle au poids moléculaire.

(5) Le processus d'éthérification de la cellulose est un processus dans lequel la force de Lifshitz-van der Waals augmente, et c'est également un processus dans lequel l'acidité de Lewis diminue et l'alcalinité de Lewis augmente.