Cal é a relación entre o DS e o peso molecular do CMC de sodio

A carboximetil celulosa sódica (CMC) é un polímero soluble en auga versátil derivado da celulosa, un polisacárido natural que se atopa nas paredes celulares das plantas. É amplamente utilizado en varias industrias, incluíndo alimentos, produtos farmacéuticos, cosméticos, téxtiles e perforación petrolífera, debido ás súas propiedades e funcionalidades únicas.

Estrutura e propiedades do CMC de sodio:

A CMC sintetízase pola modificación química da celulosa, onde os grupos carboximetilo (-CH2-COOH) introdúcense no esqueleto da celulosa mediante reaccións de eterificación ou esterificación. O grao de substitución (DS) refírese ao número medio de grupos carboximetilo por unidade de glicosa na cadea de celulosa. Os valores de DS normalmente oscilan entre 0,2 e 1,5, dependendo das condicións de síntese e das propiedades desexadas do CMC.

O peso molecular da CMC refírese ao tamaño medio das cadeas de polímero e pode variar significativamente dependendo de factores como a fonte de celulosa, o método de síntese, as condicións de reacción e as técnicas de purificación. O peso molecular caracterízase a miúdo por parámetros como o peso molecular medio numérico (Mn), o peso molecular medio en peso (Mw) e o peso molecular medio da viscosidade (Mv).

Síntese de CMC de sodio:

A síntese de CMC normalmente implica a reacción da celulosa con hidróxido de sodio (NaOH) e ácido cloroacético (ClCH2COOH) ou o seu sal de sodio (NaClCH2COOH). A reacción transcorre por substitución nucleófila, onde os grupos hidroxilo (-OH) da columna vertebral da celulosa reaccionan con grupos cloroacetilo (-ClCH2COOH) para formar grupos carboximetilo (-CH2-COOH).

O DS de CMC pódese controlar axustando a relación molar de ácido cloroacético á celulosa, o tempo de reacción, a temperatura, o pH e outros parámetros durante a síntese. Os valores de DS máis altos adoitan conseguirse con concentracións máis altas de ácido cloroacético e tempos de reacción máis longos.

O peso molecular da CMC está influenciado por varios factores, incluíndo a distribución do peso molecular do material de celulosa de partida, o grao de degradación durante a síntese e o grao de polimerización das cadeas de CMC. Diferentes métodos de síntese e condicións de reacción poden dar lugar a CMC con diferentes distribucións de peso molecular e tamaños medios.

Relación entre DS e peso molecular:

A relación entre o grao de substitución (DS) e o peso molecular da carboximetil celulosa sódica (CMC) é complexa e está influenciada por múltiples factores relacionados coa síntese, a estrutura e as propiedades de CMC.

1. Efecto do DS no peso molecular:
   • Os valores de DS máis altos corresponden xeralmente a pesos moleculares máis baixos de CMC. Isto débese a que os valores de DS máis altos indican un maior grao de substitución dos grupos carboximetilo na columna vertebral de celulosa, o que leva a cadeas poliméricas máis curtas e pesos moleculares máis baixos en media.
   • A introdución de grupos carboximetilo interrompe os enlaces de hidróxeno intermoleculares entre as cadeas de celulosa, o que produce a escisión e a fragmentación da cadea durante a síntese. Este proceso de degradación pode levar a unha redución do peso molecular da CMC, particularmente a valores de DS máis altos e reaccións máis extensas.
   • Pola contra, os valores de DS máis baixos están asociados con cadeas poliméricas máis longas e pesos moleculares máis altos en media. Isto débese a que os graos máis baixos de substitución dan lugar a menos grupos carboximetilo por unidade de glicosa, o que permite que os segmentos máis longos das cadeas de celulosa non modificadas permanezan intactos.
2. Efecto do peso molecular na DS:
   • O peso molecular da CMC pode influír no grao de substitución alcanzado durante a síntese. Os pesos moleculares máis altos da celulosa poden proporcionar sitios máis reactivos para as reaccións de carboximetilación, o que permite conseguir un maior grao de substitución en determinadas condicións.
   • Non obstante, pesos moleculares excesivamente elevados da celulosa tamén poden dificultar a accesibilidade dos grupos hidroxilo para as reaccións de substitución, o que leva a unha carboximetilación incompleta ou ineficiente e valores de DS máis baixos.
   • Ademais, a distribución do peso molecular do material de celulosa de partida pode afectar a distribución dos valores de DS no produto CMC resultante. As heteroxeneidades no peso molecular poden producir variacións na reactividade e na eficiencia da substitución durante a síntese, o que leva a un rango máis amplo de valores de DS no produto CMC final.

Impacto do DS e do peso molecular nas propiedades e aplicacións do CMC:

1. Propiedades reolóxicas:
   • O grao de substitución (DS) e o peso molecular do CMC poden influír nas súas propiedades reolóxicas, incluíndo a viscosidade, o comportamento de adelgazamento por cizallamento e a formación de xel.
   • Os valores de DS máis altos xeralmente dan lugar a viscosidades máis baixas e un comportamento máis pseudoplástico (dilución por cizallamento) debido ás cadeas de polímero máis curtas e á redución do enredo molecular.
   • Pola contra, os valores de DS máis baixos e os pesos moleculares máis altos tenden a aumentar a viscosidade e mellorar o comportamento pseudoplástico das solucións CMC, o que leva a mellorar as propiedades de espesamento e suspensión.
2. Solubilidade en auga e comportamento de inchazo:
   • CMC con valores de DS máis altos tende a mostrar unha maior solubilidade en auga e taxas de hidratación máis rápidas debido á maior concentración de grupos carboximetil hidrófilos ao longo das cadeas de polímero.
   • Porén, valores de DS excesivamente altos tamén poden producir unha solubilidade en auga reducida e un aumento da formación de xel, especialmente a altas concentracións ou en presenza de catións multivalentes.
   • O peso molecular do CMC pode afectar o seu comportamento de inchazo e as propiedades de retención de auga. Os pesos moleculares máis altos xeralmente dan como resultado taxas de hidratación máis lentas e unha maior capacidade de retención de auga, o que pode ser vantaxoso en aplicacións que requiren liberación sostida ou control da humidade.
3. Propiedades de formación de película e barreira:
   • As películas CMC formadas a partir de solucións ou dispersións presentan propiedades de barreira contra o osíxeno, a humidade e outros gases, polo que son adecuadas para aplicacións de envasado e revestimento.
   • O DS e o peso molecular do CMC poden influír na resistencia mecánica, flexibilidade e permeabilidade das películas resultantes. Valores de DS máis altos e pesos moleculares máis baixos poden dar lugar a películas con menor resistencia á tracción e maior permeabilidade debido a cadeas de polímero máis curtas e interaccións intermoleculares reducidas.
4. Aplicacións en varias industrias:
   • CMC con diferentes valores DS e pesos moleculares atopa aplicacións en varias industrias, incluíndo alimentos, produtos farmacéuticos, cosméticos, téxtiles e perforación petrolífera.
   • Na industria alimentaria, o CMC úsase como espesante, estabilizador e emulsionante en produtos como salsas, aderezos e bebidas. A elección do grao CMC depende da textura desexada, a sensación en boca e os requisitos de estabilidade do produto final.
   • Nas formulacións farmacéuticas, a CMC serve como aglutinante, desintegrante e axente formador de película en comprimidos, cápsulas e suspensións orais. O DS e o peso molecular do CMC poden influír na cinética de liberación do fármaco, na biodisponibilidade e no cumprimento do paciente.
   • Na industria cosmética, a CMC úsase en cremas, loções e produtos para o coidado do cabelo como espesante, estabilizador e hidratante. A elección do grao CMC depende de factores como a textura, a capacidade de untar e os atributos sensoriais.
   • Na industria de perforación petrolífera, CMC úsase en fluídos de perforación como viscosificador, axente de control de perdas de fluído e inhibidor de xisto. O DS e o peso molecular do CMC poden afectar o seu rendemento para manter a estabilidade do pozo, controlar a perda de fluídos e inhibir o inchazo da arxila.

Conclusión:

A relación entre o grao de substitución (DS) e o peso molecular da carboximetil celulosa sódica (CMC) é complexa e está influenciada por múltiples factores relacionados coa síntese, a estrutura e as propiedades de CMC. Os valores de DS máis altos corresponden xeralmente a pesos moleculares máis baixos de CMC, mentres que os valores de DS máis baixos e os pesos moleculares máis altos tenden a producir cadeas de polímero máis longas e pesos moleculares máis elevados en media. Comprender esta relación é fundamental para optimizar as propiedades e o rendemento de CMC en varias aplicacións en industrias, incluíndo alimentos, produtos farmacéuticos, cosméticos, téxtiles e perforación de petróleo. Son necesarios máis esforzos de investigación e desenvolvemento para dilucidar os mecanismos subxacentes e optimizar a síntese e caracterización de CMC con distribucións de peso molecular e DS adaptadas para aplicacións específicas.