Svojstva otopine kationskog celuloznog etera

Svojstva razrijeđene otopine kationskog celuloznog etera visoke gustoće naboja (KG-30M) pri različitim pH vrijednostima proučavana su instrumentom za lasersko raspršivanje, iz hidrodinamičkog radijusa (Rh) pod različitim kutovima i korijena srednjeg kvadratnog radijusa rotacije Rg Omjer prema Rh ukazuje na to da je njegov oblik nepravilan, ali blizak sferičnom. Zatim su uz pomoć reometra detaljno proučavane tri koncentrirane otopine kationskih celuloznih etera s različitim gustoćama naboja te je razmatran utjecaj koncentracije, pH vrijednosti i vlastite gustoće naboja na njegova reološka svojstva. Kako se koncentracija povećavala, Newtonov eksponent se prvo smanjivao, a zatim smanjivao. Dolazi do fluktuacije ili čak odskoka, a tiksotropno ponašanje se javlja kod 3% (maseni udio). Umjerena gustoća naboja korisna je za postizanje veće viskoznosti bez smicanja, a pH ima mali učinak na njegovu viskoznost.

Ključne riječi:kationski celulozni eter; morfologija; nulta smična viskoznost; reologija

Derivati ​​celuloze i njihovi modificirani funkcionalni polimeri naširoko su korišteni u područjima fizioloških i sanitarnih proizvoda, petrokemije, medicine, hrane, proizvoda za osobnu njegu, pakiranja itd. Vodotopljivi kationski celulozni eter (CCE) je zahvaljujući svom S jakim zgušnjavanjem sposobnost, naširoko se koristi u svakodnevnim kemikalijama, osobito u šamponima, i može poboljšati raščešljavanje kose nakon šamponiranja. Istovremeno, zbog dobre kompatibilnosti, može se koristiti u šamponima dva u jednom i sve u jednom. Također ima dobre izglede za primjenu i privukao je pažnju raznih zemalja. U literaturi je objavljeno da otopine derivata celuloze pokazuju ponašanja poput Newtonove tekućine, pseudoplastične tekućine, tiksotropne tekućine i viskoelastične tekućine s povećanjem koncentracije, ali morfologija, reologija i čimbenici utjecaja kationskog celuloznog etera u vodenoj otopini postoji nekoliko. izvješća o istraživanju. Ovaj se rad usredotočuje na reološko ponašanje vodene otopine celuloze modificirane kvaternim amonijem, kako bi se pružila referenca za praktičnu primjenu.

1. Eksperimentalni dio

1.1 Sirovine

Kationski celulozni eter (KG-30M, JR-30M, LR-30M); Kanadski proizvod Dow Chemical Company, osiguran od strane Procter & Gamble Company Kobe R&D Center u Japanu, mjeren elementnim analizatorom Vario EL (German Elemental Company), uzorak. Sadržaj dušika je 2,7%, 1,8%, 1,0% (gustoća naboja je 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, 0,7 Meq/g respektivno), a ispitan je njemačkim instrumentom za raspršivanje laserskog svjetla ALV-5000E (LLS) koji je izmjerio njegovu prosječnu molekularnu težinu oko 1,64×106 g/mol.

1.2 Priprema otopine

Uzorak je pročišćen filtracijom, dijalizom i sušenjem smrzavanjem. Izvažite niz od tri kvantitativna uzorka i dodajte standardnu ​​pufersku otopinu s pH 4,00, 6,86, 9,18 kako biste pripremili potrebnu koncentraciju. Kako bi se osiguralo da su uzorci potpuno otopljeni, sve otopine uzoraka su stavljene na magnetsku miješalicu 48 sati prije testiranja.

1.3 Mjerenje raspršenja svjetlosti

Upotrijebite LLS za mjerenje prosječne molekulske težine uzorka u razrijeđenoj vodenoj otopini, hidrodinamičkog radijusa i korijena srednjeg kvadrata radijusa rotacije kada je drugi koeficijent Villi i različitih kutova,), i zaključite da je ovaj kationski celulozni eter u vodena otopina prema statusu omjera.

1.4 Mjerenje viskoznosti i reološka ispitivanja

Koncentrirana otopina CCE proučavana je reometrom Brookfield RVDV-III+, te je ispitivan utjecaj koncentracije, gustoće naboja i pH vrijednosti na reološka svojstva kao što je viskoznost uzorka. Kod viših koncentracija potrebno je ispitati njegovu tiksotropnost.

2. Rezultati i rasprava

2.1 Istraživanje raspršenja svjetlosti

Zbog svoje posebne molekularne strukture, teško postoji u obliku jedne molekule čak iu dobrom otapalu, već u obliku određenih stabilnih micela, klastera ili asocijacija.

Kada je razrijeđena vodena otopina (~0,1%) CCE promatrana polarizacijskim mikroskopom, ispod pozadine crnog križnog ortogonalnog polja pojavile su se svijetle točke "zvijezda" i svijetle trake. Nadalje ga karakterizira raspršenje svjetlosti, dinamički hidrodinamički radijus pri različitim pH i kutovima, srednji kvadratni radijus rotacije i drugi koeficijent Villi dobiven iz Berryjevog dijagrama navedeni su u Tab. 1. Grafikon distribucije funkcije hidrodinamičkog radijusa dobiven pri koncentraciji od 10-5 uglavnom je jedan vrh, ali distribucija je vrlo široka (slika 1), što ukazuje da postoje asocijacije na molekularnoj razini i veliki agregati u sustavu ; Postoje promjene, a Rg/Rb vrijednosti su sve oko 0,775, što ukazuje da je oblik CCE u otopini blizu sferičnog, ali nije dovoljno pravilan. Učinak pH na Rb i Rg nije očit. Protuion u puferskoj otopini stupa u interakciju s CCE-om kako bi zaštitio naboj na svom bočnom lancu i natjerao ga da se skupi, ali razlika ovisi o vrsti protuiona. Mjerenje raspršenja svjetlosti nabijenih polimera osjetljivo je na interakciju sila dugog dometa i vanjske smetnje, tako da postoje određene pogreške i ograničenja u LLS karakterizaciji. Kada je maseni udio veći od 0,02%, uglavnom postoje neodvojivi dvostruki vrhovi ili čak višestruki vrhovi u dijagramu Rh distribucije. Kako se koncentracija povećava, Rh također raste, što ukazuje da je više makromolekula povezano ili čak agregirano. Kada su Cao i sur. koristio raspršenje svjetlosti za proučavanje kopolimera karboksimetil celuloze i površinski aktivnih makromera, također su postojali neodvojivi dvostruki vrhovi, od kojih je jedan bio između 30 nm i 100 nm, predstavljajući stvaranje micela na molekularnoj razini, a drugi vrh Rh je relativno veliki, koji se smatra agregatom, što je slično rezultatima utvrđenim u ovom radu.

2.2 Istraživanje reološkog ponašanja

2.2.1 Učinak koncentracije:Izmjerite prividnu viskoznost otopina KG-30M s različitim koncentracijama pri različitim brzinama smicanja i prema logaritamskom obliku jednadžbe zakona snage koju je predložio Ostwald-Dewaele, kada maseni udio ne prelazi 0,7% i niz ravnih linija s koeficijentima linearne korelacije većim od 0,99. A kako koncentracija raste, vrijednost Newtonovog eksponenta n opada (sve manje od 1), pokazujući očitu pseudoplastičnu tekućinu. Potaknuti silom smicanja, makromolekularni lanci počinju se raspetljavati i usmjeravati, pa se viskoznost smanjuje. Kada je maseni udio veći od 0,7%, koeficijent linearne korelacije dobivene ravne linije opada (oko 0,98), a n počinje fluktuirati ili čak rasti s porastom koncentracije; kada maseni udio dosegne 3% (slika 2), tablica Prividna viskoznost prvo raste, a zatim opada s povećanjem brzine smicanja. Ovaj niz fenomena razlikuje se od izvješća drugih anionskih i kationskih polimernih otopina. Vrijednost n raste, to jest, ne-Newtonsko svojstvo je oslabljeno; Newtonov fluid je viskozna tekućina, a intermolekularno klizanje se događa pod djelovanjem smičnih naprezanja i ne može se povratiti; ne-Newtonov fluid sadrži elastični dio koji se može obnoviti i viskozni dio koji se ne može obnoviti. Pod djelovanjem smičnog naprezanja dolazi do ireverzibilnog klizanja između molekula, a istovremeno, budući da su makromolekule istegnute i usmjerene smicanjem, nastaje elastični dio koji se može obnoviti. Kada se vanjska sila ukloni, makromolekule se nastoje vratiti u izvorni uvijeni oblik, tako da vrijednost n raste. Koncentracija se nastavlja povećavati i formira mrežnu strukturu. Kada je smično naprezanje malo, ono se neće uništiti, već će doći samo do elastične deformacije. U to vrijeme, elastičnost će biti relativno povećana, viskoznost će biti oslabljena, a vrijednost n će se smanjiti; dok smično naprezanje postupno raste tijekom procesa mjerenja, pa n Vrijednost fluktuira. Kada maseni udio dosegne 3%, prividna viskoznost prvo raste, a zatim opada, jer mali smik potiče sudaranje makromolekula u velike agregate, tako da viskoznost raste, a smično naprezanje nastavlja razbijati agregate. , viskoznost će se ponovno smanjiti.

U ispitivanju tiksotropije, postavite brzinu (o/min) da postignete željeni y, povećavajte brzinu u redovitim intervalima dok ne dosegne zadanu vrijednost, a zatim brzo spustite maksimalnu brzinu natrag na početnu vrijednost kako biste dobili odgovarajuću Smični napon, njegov odnos s brzinom smicanja prikazan je na slici 3. Kada je maseni udio manji od 2,5%, uzlazna krivulja i silazna krivulja potpuno se preklapaju, ali kada je maseni udio 3%, dvije linije br. duže preklapanje, a linija prema dolje zaostaje, što ukazuje na tiksotropiju.

Ovisnost posmičnog naprezanja o vremenu poznata je kao reološki otpor. Reološka otpornost je karakteristično ponašanje viskoelastičnih tekućina i tekućina s tiksotropnom strukturom. Utvrđeno je da što je veći y pri istom masenom udjelu, to brže r postiže ravnotežu, a vremenska je ovisnost manja; pri nižem masenom udjelu (<2%), CCE ne pokazuje reološku otpornost. Kada se maseni udio poveća na 2,5%, pokazuje jaku vremensku ovisnost (slika 4), te je potrebno oko 10 minuta da se postigne ravnoteža, dok je kod 3,0% vrijeme ravnoteže potrebno 50 minuta. Dobra tiksotropija sustava pogoduje praktičnoj primjeni.

2.2.2 Učinak gustoće naboja:odabran je logaritamski oblik Spencer-Dillonove empirijske formule, u kojoj je viskoznost nulte granice b konstantna pri istoj koncentraciji i različitoj temperaturi, te raste s porastom koncentracije pri istoj temperaturi. Prema jednadžbi zakona potencije koju je usvojio Onogi 1966., M je relativna molekularna masa polimera, A i B su konstante, a c je maseni udio (%). sl．5 Tri krivulje imaju očite točke infleksije oko 0,6%, to jest, postoji kritični maseni udio. Više od 0,6%, viskoznost bez smicanja brzo raste s porastom koncentracije C. Krivulje tri uzorka s različitim gustoćama naboja vrlo su bliske. Nasuprot tome, kada je maseni udio između 0,2% i 0,8%, zero-cut viskoznost LR uzorka s najmanjom gustoćom naboja je najveća, jer povezivanje vodikove veze zahtijeva određeni kontakt. Stoga je gustoća naboja usko povezana s time mogu li se makromolekule rasporediti na uredan i kompaktan način; kroz DSC testiranje, utvrđeno je da LR ima slab vrh kristalizacije, što ukazuje na odgovarajuću gustoću naboja, a viskoznost bez smicanja je viša pri istoj koncentraciji. Kada je maseni udio manji od 0,2%, LR je najmanji, jer je u razrijeđenoj otopini veća vjerojatnost da će makromolekule s niskom gustoćom naboja formirati orijentaciju zavojnice, tako da je viskoznost bez smicanja niska. Ovo ima dobro usmjeravajuće značenje u smislu učinka zgušnjavanja.

2.2.3 pH učinak: Slika 6 je rezultat izmjeren pri različitim pH unutar raspona od 0,05% do 2,5% masenog udjela. Postoji točka infleksije oko 0,45%, ali tri se krivulje gotovo preklapaju, što ukazuje da pH nema očigledan učinak na viskoznost bez smicanja, što je prilično različito od osjetljivosti anionskog celuloznog etera na pH.

3. Zaključak

Razrijeđenu vodenu otopinu KG-30M proučava LLS, a dobivena distribucija hidrodinamičkog radijusa je jedan vrh. Iz ovisnosti o kutu i omjera Rg/Rb može se zaključiti da je njegov oblik blizak sferičnom, ali nedovoljno pravilan. Za CCE otopine s tri gustoće naboja, viskoznost raste s porastom koncentracije, ali Newtonov lovni broj n prvo opada, zatim fluktuira i čak raste; pH ima mali učinak na viskoznost, a umjerena gustoća naboja može postići veću viskoznost.