A kationos cellulóz-éter oldat tulajdonságai

Egy nagy töltéssűrűségű kationos cellulóz-éter (KG-30M) híg oldatának tulajdonságait különböző pH-értékeknél lézerszóró műszerrel vizsgáltuk, a különböző szögekben mért hidrodinamikai sugárból (Rh) és a forgási sugár négyzetes középértékéből. Rg Az Rh-hoz viszonyított arányból arra következtethetünk, hogy alakja szabálytalan, de közel gömb alakú. Ezt követően reométer segítségével három, különböző töltéssűrűségű kationos cellulóz-éter tömény oldatát részletesen tanulmányozták, valamint a koncentráció, a pH érték és a saját töltéssűrűség hatását a reológiai tulajdonságaira. A koncentráció növekedésével Newton kitevője először csökkent, majd csökkent. Ingadozás vagy akár visszapattanás lép fel, és 3%-nál (tömeghányad) tixotróp viselkedés lép fel. A mérsékelt töltéssűrűség előnyös a nagyobb zéró nyírási viszkozitás eléréséhez, és a pH nem befolyásolja a viszkozitást.

Kulcsszavak:kationos cellulóz-éter; morfológia; nulla nyírási viszkozitás; reológia

A cellulózszármazékokat és módosított funkcionális polimerjeit széles körben alkalmazzák a fiziológiai és egészségügyi termékek, petrolkémiai termékek, gyógyszerek, élelmiszerek, testápolási termékek, csomagolás stb. területén. A vízben oldódó kationos cellulóz-éter (CCE) az erős sűrítő hatásának köszönhető. széles körben használják a napi vegyszerekben, különösen a samponokban, és javíthatja a haj fésülhetőségét hajmosás után. Ugyanakkor jó kompatibilitása miatt kettő az egyben és minden az egyben samponokban is használható. Jó alkalmazási kilátásokkal is rendelkezik, és számos ország figyelmét felkeltette. A szakirodalomban beszámoltak arról, hogy a cellulózszármazék oldatok a koncentráció növekedésével Newtoni folyadék, pszeudoplasztikus folyadék, tixotróp folyadék és viszkoelasztikus folyadék viselkedést mutatnak, de a vizes oldatban lévő kationos cellulóz-éter morfológiája, reológiája és befolyásoló tényezői Kevés kutatási jelentések. Ez a cikk a kvaterner ammóniummal módosított cellulóz vizes oldat reológiai viselkedésére összpontosít, hogy referenciaként szolgáljon a gyakorlati alkalmazáshoz.

1. Kísérleti rész

1.1 Nyersanyagok

Kationos cellulóz-éter (KG-30M, JR-30M, LR-30M); Kanada Dow Chemical Company terméke, a Procter & Gamble Company Kobe K+F központja Japánban, Vario EL elemanalizátorral (German Elemental Company) mérve, a minta A nitrogéntartalom rendre 2,7%, 1,8%, 1,0% (a töltéssűrűség: 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, 0,7 Meq/g), és a német ALV-5000E lézerfény szórási műszerrel (LLS) tesztelték, súlyátlagos molekulatömege körülbelül 1,64.×106 g/mol.

1.2 Oldatkészítés

A mintát szűréssel, dialízissel és fagyasztva szárítással tisztítottuk. Mérjünk le három mennyiségi mintából álló sorozatot, és adjunk hozzá standard pufferoldatot (pH 4,00, 6,86, 9,18), hogy elkészítsük a kívánt koncentrációt. Annak biztosítására, hogy a minták teljesen feloldódjanak, minden mintaoldatot mágneses keverőre helyeztünk 48 órára a vizsgálat előtt.

1.3 Fényszórás mérése

LLS segítségével mérje meg a minta tömeg szerinti átlagos molekulatömegét híg vizes oldatban, a hidrodinamikai sugarat és a forgási sugarat a második Villi-együttható és a különböző szögek esetén), és következtessen arra, hogy ez a kationos cellulóz-éter a vizes oldat aránya szerint.

1.4 Viszkozitásmérés és reológiai vizsgálat

A tömény CCE-oldatot Brookfield RVDV-III+ reométerrel vizsgáltuk, és vizsgáltuk a koncentráció, a töltéssűrűség és a pH-érték hatását a reológiai tulajdonságokra, például a minta viszkozitására. Magasabb koncentrációknál szükséges a tixotrópiájának vizsgálata.

2. Eredmények és megbeszélés

2.1 A fényszórás kutatása

Speciális molekulaszerkezete miatt még jó oldószerben is nehéz egyetlen molekula formájában létezni, de bizonyos stabil micellák, klaszterek vagy asszociációk formájában.

Amikor a CCE híg vizes oldatát (~o,1%) polarizáló mikroszkóppal megfigyeltük, a fekete keresztben merőleges mező háttere alatt „csillag” fényes foltok és fényes sávok jelentek meg. Jellemző továbbá a fényszórás, a dinamikus hidrodinamikai sugár különböző pH-nál és szögeknél, a négyzetes forgási sugár és a Berry diagramból kapott második Villi-együttható a táblázatban találhatók. 1. A 10-5 koncentrációnál kapott hidrodinamikai sugárfüggvény eloszlási grafikonja főként egyetlen csúcs, de az eloszlás nagyon széles (1. ábra), ami azt jelzi, hogy a rendszerben molekuláris szintű asszociációk és nagy aggregátumok találhatók. ; Változások vannak, és az Rg/Rb értékek 0,775 körül mozognak, ami azt jelzi, hogy az oldatban lévő CCE alakja közel áll a gömb alakúhoz, de nem elég szabályos. A pH hatása Rb-re és Rg-re nem nyilvánvaló. A pufferoldatban lévő ellenion kölcsönhatásba lép a CCE-vel, hogy leárnyékolja a töltést az oldalláncában, és zsugorodik, de a különbség az ellenion típusától függően változik. A töltött polimerek fényszórási mérése érzékeny a nagy hatótávolságú erőkölcsönhatásokra és külső interferenciákra, ezért vannak bizonyos hibák és korlátok az LLS jellemzésében. Ha a tömeghányad nagyobb, mint 0,02%, az Rh-eloszlási diagramon többnyire elválaszthatatlan kettős csúcsok vagy akár többszörös csúcsok találhatók. A koncentráció növekedésével az Rh is növekszik, ami azt jelzi, hogy több makromolekula kapcsolódik vagy aggregálódik. Amikor Cao et al. fényszórást használt a karboxi-metil-cellulóz és felületaktív makromerek kopolimerjének vizsgálatára, elválaszthatatlan kettős csúcsok is voltak, amelyek közül az egyik 30 nm és 100 nm között volt, ami molekuláris szinten a micellák képződését reprezentálja, a másik A csúcs Rh viszonylag nagy, amit aggregátumnak tekintünk, ami hasonló az ebben a cikkben meghatározott eredményekhez.

2.2 A reológiai viselkedés kutatása

2.2.1 A koncentráció hatása:Mérje meg a különböző koncentrációjú KG-30M oldatok látszólagos viszkozitását különböző nyírási sebességgel, az Ostwald-Dewaele által javasolt hatványtörvény egyenlet logaritmikus alakja szerint, ha a tömeghányad nem haladja meg a 0,7%-ot, valamint egy sor egyenes vonalat. 0,99-nél nagyobb lineáris korrelációs együtthatókkal. És ahogy a koncentráció növekszik, a Newton-kitevő n értéke csökken (mind 1-nél kisebb), ami nyilvánvaló pszeudoplasztikus folyadékot mutat. A nyíróerő hatására a makromolekuláris láncok elkezdenek kibogozódni és orientálódni, így a viszkozitás csökken. Ha a tömeghányad nagyobb, mint 0,7%, a kapott egyenes lineáris korrelációs együtthatója csökken (kb. 0,98), és n ingadozni kezd, vagy akár nőni kezd a koncentráció növekedésével; amikor a tömeghányad eléri a 3%-ot (2. ábra), a táblázat A látszólagos viszkozitás először növekszik, majd a nyírási sebesség növekedésével csökken. Ez a jelenségsorozat eltér más anionos és kationos polimer oldatokról szóló beszámolóktól. Az n érték emelkedik, vagyis a nem newtoni tulajdonság gyengül; A newtoni folyadék viszkózus folyadék, és az intermolekuláris csúszás nyírófeszültség hatására történik, és nem nyerhető vissza; A nem-newtoni folyadék tartalmaz egy visszanyerhető rugalmas részt és egy vissza nem nyerhető viszkózus részt. A nyírófeszültség hatására a molekulák között visszafordíthatatlan csúszás lép fel, ezzel egyidejűleg a makromolekulák megnyúlása és a nyírással történő orientációja miatt visszanyerhető rugalmas rész keletkezik. Ha a külső erőt megszüntetjük, a makromolekulák hajlamosak visszatérni az eredeti hullámos formájukba, így az n értéke nő. A koncentráció tovább növekszik, és hálózati struktúra alakul ki. Ha a nyírófeszültség kicsi, akkor nem romlik el, és csak rugalmas alakváltozás következik be. Ekkor a rugalmasság viszonylag megnövekszik, a viszkozitás gyengül, és az n értéke csökken; míg a nyírófeszültség a mérési folyamat során fokozatosan növekszik, így n Az érték ingadozik. Amikor a tömeghányad eléri a 3%-ot, a látszólagos viszkozitás előbb növekszik, majd csökken, mert a kis nyírás elősegíti a makromolekulák ütközését nagy aggregátumokká, így a viszkozitás nő, a nyírófeszültség pedig tovább töri az aggregátumokat. , a viszkozitás ismét csökkenni fog.

A tixotrópia vizsgálatánál állítsa be a sebességet (r/perc) a kívánt y eléréséhez, rendszeres időközönként növelje a sebességet, amíg el nem éri a beállított értéket, majd gyorsan csökkentse a maximális sebességről a kezdeti értékre, hogy megkapja a megfelelő értéket. A nyírófeszültséget, kapcsolatát a nyírási sebességgel a 3. ábra mutatja. Ha a tömeghányad kisebb, mint 2,5%, a felfelé és a lefelé görbe teljesen átfedi egymást, de ha a tömeghányad 3%, akkor a két egyenes nem hosszabb átfedés, és a lefelé mutató vonal elmarad, jelezve a tixotrópiát.

A nyírófeszültség időfüggését reológiai ellenállásnak nevezik. A reológiai ellenállás a viszkoelasztikus folyadékok és a tixotróp szerkezetű folyadékok jellemző viselkedése. Azt találtuk, hogy minél nagyobb y azonos tömeghányadnál van, annál gyorsabban éri el r az egyensúlyt, és az időfüggés kisebb; kisebb tömeghányadnál (<2%) a CCE nem mutat reológiai ellenállást. Ha a tömeghányad 2,5%-ra nő, az erős időfüggést mutat (4. ábra), és körülbelül 10 percet vesz igénybe az egyensúly elérése, míg 3,0%-nál az egyensúlyi idő 50 percet vesz igénybe. A rendszer jó tixotrópiája elősegíti a gyakorlati alkalmazást.

2.2.2 A töltéssűrűség hatása:a Spencer-Dillon empirikus képlet logaritmikus formáját választjuk, amelyben a b nulla vágási viszkozitás azonos koncentráción és különböző hőmérsékleten állandó, és a koncentráció növekedésével azonos hőmérsékleten növekszik. Az Onogi által 1966-ban elfogadott hatványtörvény-egyenlet szerint M a polimer relatív molekulatömege, A és B állandók, c pedig a tömeghányad (%). Füge.5 A három görbe 0,6% körüli nyilvánvaló inflexiós pontokkal rendelkezik, azaz van egy kritikus tömeghányad. Több mint 0,6%, a nulla nyírási viszkozitás gyorsan növekszik a C koncentráció növekedésével. A három különböző töltéssűrűségű minta görbéi nagyon közel állnak egymáshoz. Ezzel szemben, ha a tömeghányad 0,2% és 0,8% között van, a legkisebb töltéssűrűségű LR minta nulla vágási viszkozitása a legnagyobb, mivel a hidrogénkötés asszociációja bizonyos érintkezést igényel. Ezért a töltéssűrűség szorosan összefügg azzal, hogy a makromolekulák rendezetten és kompakt módon elrendezhetők-e; A DSC-teszttel azt találták, hogy az LR-nek gyenge kristályosodási csúcsa van, ami megfelelő töltéssűrűséget jelez, és a zéró nyírási viszkozitás magasabb ugyanabban a koncentrációban. Ha a tömeghányad kisebb, mint 0,2%, az LR a legkisebb, mivel híg oldatban az alacsony töltéssűrűségű makromolekulák nagyobb valószínűséggel alakítanak ki tekercs orientációt, így a zéró nyírási viszkozitás alacsony. Ennek jó irányadó jelentősége van a sűrítési teljesítmény szempontjából.

2.2.3 pH-hatás: A 6. ábra a 0,05-2,5 tömeg% közötti tartományon belüli különböző pH-értékeken mért eredményt mutatja. 0,45% körül van egy inflexiós pont, de a három görbe szinte átfedi egymást, ami azt jelzi, hogy a pH-nak nincs nyilvánvaló hatása a zéró nyírási viszkozitásra, ami egészen más, mint az anionos cellulóz-éter pH-érzékenysége.

3. Következtetés

A KG-30M híg vizes oldatot LLS vizsgálja, és a kapott hidrodinamikai sugáreloszlás egyetlen csúcs. A szögfüggésből és az Rg/Rb arányból arra lehet következtetni, hogy alakja közel gömb alakú, de nem elég szabályos. A három töltéssűrűségű CCE oldatoknál a viszkozitás a koncentráció növekedésével nő, de a Newton-féle n vadászszám előbb csökken, majd ingadozik, sőt emelkedik; A pH kismértékben befolyásolja a viszkozitást, és közepes töltéssűrűséggel nagyobb viszkozitás érhető el.