Sifat Larutan Selulosa Eter Kationik

Sifat larutan encer selulosa eter kationik berdensitas tinggi (KG-30M) pada nilai pH berbeda dipelajari dengan instrumen hamburan laser, dari radius hidrodinamik (Rh) pada sudut berbeda, dan radius akar rata-rata kuadrat rotasi. Rg Rasio terhadap Rh menyimpulkan bahwa bentuknya tidak beraturan tetapi mendekati bola. Kemudian, dengan menggunakan rheometer, tiga larutan pekat selulosa eter kationik dengan kerapatan muatan berbeda dipelajari secara rinci, dan pengaruh konsentrasi, nilai pH, dan kerapatan muatannya sendiri terhadap sifat reologinya dibahas. Ketika konsentrasi meningkat, eksponen Newton mula-mula menurun dan kemudian menurun. Terjadi fluktuasi atau bahkan rebound, dan perilaku tiksotropik terjadi pada 3% (fraksi massa). Kepadatan muatan yang moderat bermanfaat untuk memperoleh viskositas geser nol yang lebih tinggi, dan pH memiliki pengaruh yang kecil terhadap viskositasnya.

Kata kunci:selulosa eter kationik; morfologi; viskositas geser nol; reologi

Turunan selulosa dan polimer fungsionalnya yang dimodifikasi telah banyak digunakan di bidang produk fisiologis dan sanitasi, petrokimia, obat-obatan, makanan, produk perawatan pribadi, pengemasan, dll. Kationik selulosa eter (CCE) yang larut dalam air disebabkan oleh pengentalannya yang kuat. Kemampuannya, banyak digunakan dalam bahan kimia sehari-hari, terutama sampo, dan dapat meningkatkan daya sisir rambut setelah keramas. Pada saat yang sama, karena kompatibilitasnya yang baik, sampo ini dapat digunakan dalam sampo two-in-one dan all-in-one. Ia juga memiliki prospek penerapan yang bagus dan telah menarik perhatian berbagai negara. Telah dilaporkan dalam literatur bahwa larutan turunan selulosa menunjukkan perilaku seperti fluida Newton, fluida pseudoplastik, fluida tiksotropik dan fluida viskoelastik dengan meningkatnya konsentrasi, namun morfologi, reologi dan faktor yang mempengaruhi selulosa eter kationik dalam larutan air Ada sedikit laporan penelitian. Makalah ini berfokus pada perilaku reologi larutan selulosa termodifikasi amonium kuaterner, untuk memberikan referensi untuk aplikasi praktis.

1. Bagian percobaan

1.1 Bahan mentah

Selulosa eter kationik (KG-30M, JR-30M, LR-30M); Produk Canada Dow Chemical Company, disediakan oleh Procter & Gamble Company Kobe R&D Center di Jepang, diukur dengan penganalisis unsur Vario EL (Perusahaan Elemental Jerman), sampel Kandungan nitrogennya masing-masing adalah 2,7%, 1,8%, 1,0% (densitas muatannya adalah 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, 0,7 Meq/g masing-masing), dan diuji dengan instrumen hamburan cahaya laser ALV-5000E Jerman (LLS) yang diukur beratnya rata-rata berat molekul sekitar 1,64×106g/mol.

1.2 Persiapan solusi

Sampel dimurnikan dengan filtrasi, dialisis dan pengeringan beku. Timbang serangkaian tiga sampel kuantitatif masing-masing, dan tambahkan larutan buffer standar dengan pH 4,00, 6,86, 9,18 untuk menyiapkan konsentrasi yang diperlukan. Untuk memastikan bahwa sampel benar-benar larut, semua larutan sampel ditempatkan pada pengaduk magnet selama 48 jam sebelum pengujian.

1.3 Pengukuran hamburan cahaya

Gunakan LLS untuk mengukur berat molekul rata-rata sampel dalam larutan encer, jari-jari hidrodinamik dan rata-rata akar radius kuadrat rotasi ketika koefisien Villi kedua dan sudut yang berbeda,), dan simpulkan bahwa selulosa eter kationik ini berada dalam larutan berair berdasarkan status rasionya.

1.4 Pengukuran viskositas dan penyelidikan reologi

Larutan CCE pekat dipelajari dengan rheometer Brookfield RVDV-III+, dan pengaruh konsentrasi, kepadatan muatan dan nilai pH pada sifat reologi seperti viskositas sampel diselidiki. Pada konsentrasi yang lebih tinggi, perlu diselidiki sifat tiksotropinya.

2. Hasil dan pembahasan

2.1 Penelitian tentang Hamburan Cahaya

Karena struktur molekulnya yang khusus, sulit untuk berada dalam bentuk molekul tunggal meskipun dalam pelarut yang baik, tetapi dalam bentuk misel, gugus, atau asosiasi tertentu yang stabil.

Ketika larutan CCE encer (~o.1%) diamati dengan mikroskop polarisasi, di bawah latar belakang bidang ortogonal salib hitam, titik terang “bintang” dan batang terang muncul. Hal ini selanjutnya ditandai dengan hamburan cahaya, jari-jari hidrodinamik dinamis pada pH dan sudut yang berbeda, rata-rata radius kuadrat akar rotasi dan koefisien Villi kedua yang diperoleh dari diagram Berry tercantum dalam Tab. 1. Grafik distribusi fungsi jari-jari hidrodinamik yang diperoleh pada konsentrasi 10-5 sebagian besar merupakan puncak tunggal, tetapi distribusinya sangat luas (Gbr. 1), menunjukkan bahwa terdapat asosiasi tingkat molekuler dan agregat besar dalam sistem. ; Ada perubahan, nilai Rg/Rb berkisar 0,775, menunjukkan bahwa bentuk CCE dalam larutan mendekati bola, tetapi kurang teratur. Pengaruh pH pada Rb dan Rg tidak jelas. Ion lawan dalam larutan buffer berinteraksi dengan CCE untuk melindungi muatan pada rantai sampingnya dan membuatnya menyusut, namun perbedaannya bervariasi menurut jenis ion lawan. Pengukuran hamburan cahaya pada polimer bermuatan rentan terhadap interaksi gaya jarak jauh dan interferensi eksternal, sehingga terdapat kesalahan dan keterbatasan tertentu dalam karakterisasi LLS. Ketika fraksi massa lebih besar dari 0,02%, sebagian besar terdapat puncak ganda yang tidak dapat dipisahkan atau bahkan beberapa puncak dalam diagram distribusi Rh. Ketika konsentrasi meningkat, Rh juga meningkat, menunjukkan bahwa lebih banyak makromolekul yang berasosiasi atau bahkan berkumpul. Ketika Cao dkk. menggunakan hamburan cahaya untuk mempelajari kopolimer karboksimetil selulosa dan makromer aktif permukaan, terdapat juga puncak ganda yang tidak dapat dipisahkan, salah satunya antara 30nm dan 100nm, mewakili pembentukan misel pada tingkat molekuler, dan yang lainnya Puncak Rh relatif besar, yang dianggap sebagai agregat, yang serupa dengan hasil yang ditentukan dalam makalah ini.

2.2 Penelitian tentang perilaku reologi

2.2.1 Pengaruh konsentrasi:Ukur viskositas nyata larutan KG-30M dengan konsentrasi berbeda pada laju geser berbeda, dan sesuai dengan bentuk logaritmik persamaan hukum pangkat yang diusulkan oleh Ostwald-Dewaele, bila fraksi massa tidak melebihi 0,7%, dan serangkaian garis lurus dengan koefisien korelasi linier diperoleh lebih besar dari 0,99. Dan seiring dengan meningkatnya konsentrasi, nilai eksponen Newton n menurun (semuanya kurang dari 1), menunjukkan fluida pseudoplastik yang jelas. Didorong oleh gaya geser, rantai makromolekul mulai terurai dan terorientasi, sehingga viskositasnya menurun. Ketika fraksi massa lebih besar dari 0,7%, koefisien korelasi linier dari garis lurus yang diperoleh menurun (sekitar 0,98), dan n mulai berfluktuasi atau bahkan meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi; ketika fraksi massa mencapai 3% (Gbr. 2), tabel Viskositas nyata pertama-tama meningkat dan kemudian menurun dengan meningkatnya laju geser. Rangkaian fenomena ini berbeda dengan laporan larutan polimer anionik dan kationik lainnya. Nilai n meningkat, yaitu properti non-Newtonian melemah; Fluida Newtonian adalah cairan kental, dan selip antarmolekul terjadi di bawah pengaruh tegangan geser, dan tidak dapat diperoleh kembali; fluida non-Newtonian mengandung bagian elastis yang dapat diperoleh kembali dan bagian kental yang tidak dapat diperoleh kembali. Di bawah aksi tegangan geser, terjadi pergeseran ireversibel antar molekul, dan pada saat yang sama, karena makromolekul diregangkan dan diorientasikan dengan geser, bagian elastis yang dapat diperoleh kembali terbentuk. Ketika gaya luar dihilangkan, makromolekul cenderung kembali ke bentuk semula, sehingga nilai n naik. Konsentrasinya terus meningkat hingga membentuk struktur jaringan. Jika tegangan gesernya kecil maka tidak akan hancur, hanya akan terjadi deformasi elastis. Pada saat ini elastisitas akan relatif meningkat, viskositas akan melemah, dan nilai n akan menurun; sedangkan tegangan geser meningkat secara bertahap selama proses pengukuran, sehingga n Nilainya berfluktuasi. Ketika fraksi massa mencapai 3%, viskositas nyata mula-mula meningkat dan kemudian menurun, karena geser kecil mendorong tumbukan makromolekul untuk membentuk agregat besar, sehingga viskositas meningkat, dan tegangan geser terus memecah agregat. , viskositasnya akan turun lagi.

Dalam penyelidikan tiksotropi, atur kecepatan (r/min) untuk mencapai y yang diinginkan, tingkatkan kecepatan secara berkala hingga mencapai nilai yang ditetapkan, lalu segera turunkan dari kecepatan maksimum kembali ke nilai awal untuk mendapatkan nilai yang sesuai. Tegangan geser, hubungannya dengan laju geser ditunjukkan pada Gambar 3. Ketika fraksi massa kurang dari 2,5%, kurva ke atas dan kurva ke bawah saling tumpang tindih, tetapi ketika fraksi massa 3%, kedua garis tidak ada. tumpang tindih lebih panjang, dan garis ke bawah tertinggal, menunjukkan tiksotropi.

Ketergantungan tegangan geser terhadap waktu dikenal sebagai ketahanan reologi. Resistensi reologi merupakan perilaku karakteristik cairan viskoelastik dan cairan dengan struktur tiksotropik. Diketahui bahwa semakin besar y pada fraksi massa yang sama, semakin cepat r mencapai kesetimbangan, dan ketergantungan waktu semakin kecil; pada fraksi massa yang lebih rendah (<2%), CCE tidak menunjukkan ketahanan reologi. Ketika fraksi massa meningkat menjadi 2,5%, ini menunjukkan ketergantungan waktu yang kuat (Gbr. 4), dan dibutuhkan sekitar 10 menit untuk mencapai kesetimbangan, sedangkan pada 3,0%, waktu kesetimbangan membutuhkan waktu 50 menit. Thixotropy yang baik dari sistem ini kondusif untuk penerapan praktis.

2.2.2 Pengaruh kepadatan muatan:bentuk logaritmik rumus empiris Spencer-Dillon dipilih, di mana viskositas nol, b konstan pada konsentrasi yang sama dan suhu yang berbeda, dan meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi pada suhu yang sama. Menurut persamaan hukum pangkat yang diadopsi oleh Onogi pada tahun 1966, M adalah massa molekul relatif polimer, A dan B adalah konstanta, dan c adalah fraksi massa (%). Ara．5 Ketiga kurva tersebut mempunyai titik belok yang jelas sekitar 0,6%, yaitu terdapat fraksi massa kritis. Lebih dari 0,6%, viskositas geser nol meningkat dengan cepat seiring dengan peningkatan konsentrasi C. Kurva ketiga sampel dengan kepadatan muatan berbeda sangat dekat. Sebaliknya, ketika fraksi massa antara 0,2% dan 0,8%, viskositas nol sampel LR dengan kerapatan muatan terkecil adalah yang terbesar, karena ikatan ikatan hidrogen memerlukan kontak tertentu. Oleh karena itu, kepadatan muatan berkaitan erat dengan apakah makromolekul dapat tersusun secara teratur dan kompak; melalui pengujian DSC, ditemukan bahwa LR memiliki puncak kristalisasi yang lemah, menunjukkan kepadatan muatan yang sesuai, dan viskositas geser nol lebih tinggi pada konsentrasi yang sama. Ketika fraksi massa kurang dari 0,2%, LR adalah yang terkecil, karena dalam larutan encer, makromolekul dengan kerapatan muatan rendah lebih cenderung membentuk orientasi kumparan, sehingga viskositas geser nolnya rendah. Ini memiliki signifikansi panduan yang baik dalam hal peningkatan kinerja.

2.2.3 efek pH: Gambar 6 adalah hasil yang diukur pada pH berbeda dalam kisaran fraksi massa 0,05% hingga 2,5%. Terdapat titik belok sekitar 0,45%, namun ketiga kurva tersebut hampir tumpang tindih, menunjukkan bahwa pH tidak memiliki pengaruh nyata terhadap viskositas geser nol, yang sangat berbeda dari sensitivitas selulosa eter anionik terhadap pH.

3. Kesimpulan

Larutan encer KG-30M dipelajari oleh LLS, dan distribusi radius hidrodinamik yang diperoleh adalah puncak tunggal. Dari ketergantungan sudut dan rasio Rg/Rb dapat disimpulkan bahwa bentuknya mendekati bola, namun kurang teratur. Untuk larutan CCE dengan tiga kepadatan muatan, viskositas meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi, tetapi bilangan berburu Newton n mula-mula menurun, kemudian berfluktuasi dan bahkan meningkat; pH memiliki pengaruh yang kecil terhadap viskositas, dan kepadatan muatan yang moderat dapat memperoleh viskositas yang lebih tinggi.