Kakav je odnos između DS i molekularne težine natrijevog CMC-a

Natrijeva karboksimetil celuloza (CMC) svestrani je polimer topiv u vodi izveden iz celuloze, prirodnog polisaharida koji se nalazi u stjenkama biljnih stanica. Široko se koristi u raznim industrijama, uključujući prehrambenu, farmaceutsku, kozmetičku, tekstilnu i naftnu bušotinu, zbog svojih jedinstvenih svojstava i funkcionalnosti.

Struktura i svojstva natrijevog CMC-a:

CMC se sintetizira kemijskom modifikacijom celuloze, pri čemu se karboksimetilne skupine (-CH2-COOH) uvode u celulozni lanac reakcijama eterifikacije ili esterifikacije. Stupanj supstitucije (DS) odnosi se na prosječan broj karboksimetilnih skupina po jedinici glukoze u lancu celuloze. Vrijednosti DS obično se kreću od 0,2 do 1,5, ovisno o uvjetima sinteze i željenim svojstvima CMC-a.

Molekulska težina CMC-a odnosi se na prosječnu veličinu polimernih lanaca i može značajno varirati ovisno o čimbenicima kao što su izvor celuloze, metoda sinteze, reakcijski uvjeti i tehnike pročišćavanja. Molekularnu težinu često karakteriziraju parametri kao što su brojčana prosječna molekularna težina (Mn), prosječna molekularna težina (Mw) i prosječna molekularna težina viskoznosti (Mv).

Sinteza natrijevog CMC-a:

Sinteza CMC tipično uključuje reakciju celuloze s natrijevim hidroksidom (NaOH) i klorooctenom kiselinom (ClCH2COOH) ili njezinom natrijevom soli (NaClCH2COOH). Reakcija se odvija kroz nukleofilnu supstituciju, gdje hidroksilne skupine (-OH) na celuloznoj okosnici reagiraju s kloroacetilnim skupinama (-ClCH2COOH) i formiraju karboksimetilne skupine (-CH2-COOH).

DS CMC može se kontrolirati podešavanjem molarnog omjera klorooctene kiseline i celuloze, vremena reakcije, temperature, pH i drugih parametara tijekom sinteze. Više vrijednosti DS obično se postižu višim koncentracijama klorooctene kiseline i duljim reakcijskim vremenima.

Na molekularnu težinu CMC-a utječu različiti čimbenici, uključujući raspodjelu molekulske težine početnog celuloznog materijala, opseg razgradnje tijekom sinteze i stupanj polimerizacije CMC-lanca. Različite metode sinteze i reakcijski uvjeti mogu rezultirati CMC-om s različitim distribucijama molekulske težine i prosječnim veličinama.

Odnos između DS i molekularne težine:

Odnos između stupnja supstitucije (DS) i molekularne težine natrijeve karboksimetil celuloze (CMC) složen je i pod utjecajem više čimbenika povezanih sa sintezom, strukturom i svojstvima CMC-a.

1. Učinak DS na molekularnu težinu:
   • Više vrijednosti DS općenito odgovaraju nižim molekulskim težinama CMC-a. To je zato što veće DS vrijednosti ukazuju na veći stupanj supstitucije karboksimetilnih skupina na celuloznoj okosnici, što dovodi do kraćih polimernih lanaca i nižih molekulskih težina u prosjeku.
   • Uvođenjem karboksimetilnih skupina prekida se međumolekularna vodikova veza između celuloznih lanaca, što rezultira cijepanjem i fragmentacijom lanca tijekom sinteze. Ovaj proces razgradnje može dovesti do smanjenja molekulske težine CMC-a, osobito pri višim vrijednostima DS i opsežnijim reakcijama.
   • Suprotno tome, niže vrijednosti DS povezane su s duljim polimernim lancima i prosječno većom molekularnom težinom. To je zato što niži stupnjevi supstitucije rezultiraju manjim brojem karboksimetilnih skupina po jedinici glukoze, što omogućuje da duži segmenti nemodificiranih celuloznih lanaca ostanu netaknuti.
2. Učinak molekularne težine na DS:
   • Molekularna težina CMC-a može utjecati na stupanj supstitucije postignut tijekom sinteze. Veće molekularne težine celuloze mogu pružiti više reaktivnih mjesta za reakcije karboksimetilacije, omogućujući postizanje višeg stupnja supstitucije pod određenim uvjetima.
   • Međutim, pretjerano visoke molekularne težine celuloze također mogu spriječiti dostupnost hidroksilnih skupina za reakcije supstitucije, što dovodi do nepotpune ili neučinkovite karboksimetilacije i nižih vrijednosti DS.
   • Dodatno, distribucija molekulske težine početnog celuloznog materijala može utjecati na distribuciju DS vrijednosti u rezultirajućem CMC proizvodu. Heterogenosti u molekularnoj težini mogu rezultirati varijacijama u reaktivnosti i učinkovitosti supstitucije tijekom sinteze, što dovodi do šireg raspona DS vrijednosti u konačnom CMC proizvodu.

Utjecaj DS i molekularne težine na CMC svojstva i primjene:

1. Reološka svojstva:
   • Stupanj supstitucije (DS) i molekularna težina CMC-a mogu utjecati na njegova reološka svojstva, uključujući viskoznost, ponašanje razrjeđivanja smicanjem i stvaranje gela.
   • Više vrijednosti DS općenito rezultiraju nižim viskoznostima i više pseudoplastičnog (smično stanjivanje) ponašanja zbog kraćih polimernih lanaca i smanjenog molekularnog ispreplitanja.
   • Suprotno tome, niže vrijednosti DS i veće molekularne težine imaju tendenciju povećanja viskoznosti i poboljšanja pseudoplastičnog ponašanja CMC otopina, što dovodi do poboljšanog zgušnjavanja i svojstava suspenzije.
2. Topivost u vodi i ponašanje bubrenja:
   • CMC s višim DS vrijednostima pokazuje veću topljivost u vodi i brže stope hidratacije zbog veće koncentracije hidrofilnih karboksimetilnih skupina duž polimernih lanaca.
   • Međutim, pretjerano visoke vrijednosti DS također mogu rezultirati smanjenom topljivošću u vodi i povećanim stvaranjem gela, posebno pri visokim koncentracijama ili u prisutnosti viševalentnih kationa.
   • Molekularna težina CMC-a može utjecati na njegovo ponašanje bubrenja i svojstva zadržavanja vode. Veće molekularne težine općenito rezultiraju sporijim stopama hidratacije i većim kapacitetom zadržavanja vode, što može biti korisno u primjenama koje zahtijevaju kontinuirano otpuštanje ili kontrolu vlage.
3. Svojstva stvaranja filma i barijere:
   • CMC filmovi formirani od otopina ili disperzija pokazuju svojstva barijere protiv kisika, vlage i drugih plinova, što ih čini prikladnima za pakiranje i premaze.
   • DS i molekularna težina CMC-a mogu utjecati na mehaničku čvrstoću, fleksibilnost i propusnost dobivenih filmova. Više vrijednosti DS i niže molekularne težine mogu dovesti do filmova s ​​nižom vlačnom čvrstoćom i većom propusnošću zbog kraćih polimernih lanaca i smanjenih međumolekulskih interakcija.
4. Primjene u raznim industrijama:
   • CMC s različitim DS vrijednostima i molekularnim težinama nalazi primjenu u raznim industrijama, uključujući prehrambenu, farmaceutsku, kozmetičku, tekstilnu i naftnu bušotinu.
   • U prehrambenoj industriji CMC se koristi kao zgušnjivač, stabilizator i emulgator u proizvodima kao što su umaci, preljevi i pića. Odabir stupnja CMC ovisi o željenoj teksturi, osjećaju u ustima i zahtjevima stabilnosti konačnog proizvoda.
   • U farmaceutskim formulacijama CMC služi kao vezivo, sredstvo za dezintegraciju i sredstvo za stvaranje filma u tabletama, kapsulama i oralnim suspenzijama. DS i molekularna težina KMC mogu utjecati na kinetiku otpuštanja lijeka, bioraspoloživost i suradljivost bolesnika.
   • U kozmetičkoj industriji CMC se koristi u kremama, losionima i proizvodima za njegu kose kao zgušnjivač, stabilizator i hidratant. Izbor CMC stupnja ovisi o čimbenicima kao što su tekstura, razmazivost i senzorska svojstva.
   • U industriji bušenja nafte, CMC se koristi u tekućinama za bušenje kao sredstvo za viskoziranje, sredstvo za kontrolu gubitka tekućine i inhibitor škriljevca. DS i molekularna težina CMC-a mogu utjecati na njegovu izvedbu u održavanju stabilnosti bušotine, kontroli gubitka tekućine i inhibiciji bubrenja gline.

Zaključak:

Odnos između stupnja supstitucije (DS) i molekularne težine natrijeve karboksimetil celuloze (CMC) složen je i pod utjecajem više čimbenika povezanih sa sintezom, strukturom i svojstvima CMC-a. Više vrijednosti DS općenito odgovaraju nižim molekulskim težinama CMC-a, dok niže vrijednosti DS i veće molekularne težine obično rezultiraju dužim polimernim lancima i većim molekulskim težinama u prosjeku. Razumijevanje ovog odnosa ključno je za optimizaciju svojstava i performansi CMC-a u različitim primjenama u raznim industrijama, uključujući hranu, farmaceutske proizvode, kozmetiku, tekstil i bušenje nafte. Potrebni su daljnji istraživački i razvojni napori kako bi se razjasnili temeljni mehanizmi i optimizirala sinteza i karakterizacija CMC-a s prilagođenim DS-om i distribucijom molekularne težine za specifične primjene.