Effetti dei sostituenti e del peso molecolare sulle proprietà superficiali dell'etere di cellulosa non ionico

Secondo la teoria dell'impregnazione di Washburn (Teoria della penetrazione) e la teoria della combinazione di van Oss-Good-Chaudhury (Teoria della combinazione) e l'applicazione della tecnologia dello stoppino colonnare (Tecnica della colonna Wicking), diversi eteri di cellulosa non ionici, come la metilcellulosa. Le proprietà superficiali di sono state testate cellulosa, idrossipropilcellulosa e idrossipropilmetilcellulosa. A causa dei diversi sostituenti, gradi di sostituzione e pesi molecolari di questi eteri di cellulosa, le loro energie superficiali e i loro componenti sono significativamente diversi. I dati mostrano che la base di Lewis dell'etere di cellulosa non ionico è più grande dell'acido di Lewis e il componente principale dell'energia libera superficiale è la forza di Lifshitz-van der Waals. L'energia superficiale dell'idrossipropile e la sua composizione sono maggiori di quella dell'idrossimetile. Con la premessa dello stesso sostituente e dello stesso grado di sostituzione, l'energia libera superficiale dell'idrossipropilcellulosa è proporzionale al peso molecolare; mentre l'energia libera superficiale dell'idrossipropilmetilcellulosa è proporzionale al grado di sostituzione ed inversamente proporzionale al peso molecolare. L'esperimento ha anche scoperto che l'energia superficiale del sostituente idrossipropile e idrossipropilmetile nell'etere di cellulosa non ionico sembra essere maggiore dell'energia superficiale della cellulosa e l'esperimento dimostra che l'energia superficiale della cellulosa testata e la sua composizione. I dati sono coerente con la letteratura.

Parole chiave: eteri di cellulosa non ionici; sostituenti e gradi di sostituzione; peso molecolare; proprietà superficiali; tecnologia dello stoppino

L'etere di cellulosa è un'ampia categoria di derivati ​​della cellulosa, che possono essere suddivisi in eteri anionici, cationici e non ionici in base alla struttura chimica dei loro sostituenti eterei. L'etere di cellulosa è anche uno dei primi prodotti ricercati e prodotti nella chimica dei polimeri. Finora, l’etere di cellulosa è stato ampiamente utilizzato in medicina, igiene, cosmetici e industria alimentare.

Sebbene gli eteri di cellulosa, come l'idrossimetilcellulosa, l'idrossipropilcellulosa e l'idrossipropilmetilcellulosa, siano stati prodotti industrialmente e molte delle loro proprietà siano state studiate, la loro energia superficiale e le proprietà di reattività agli alcali acidi non sono state finora riportate. Poiché la maggior parte di questi prodotti vengono utilizzati in un ambiente liquido e le caratteristiche della superficie, in particolare le caratteristiche della reazione acido-base, potrebbero influenzarne l'uso, è assolutamente necessario studiare e comprendere le caratteristiche chimiche della superficie di questo etere di cellulosa commerciale.

Considerando che i campioni di derivati ​​della cellulosa sono molto facili da modificare al variare delle condizioni di preparazione, questo articolo utilizza prodotti commerciali come campioni per caratterizzare la loro energia superficiale e, in base a questa, l'influenza dei sostituenti e dei pesi molecolari di tali prodotti sulla superficie si studiano le proprietà

1. Parte sperimentale

1.1 Materie prime

L'etere di cellulosa non ionico utilizzato nell'esperimento è il prodotto diKIMA CHEMICAL CO., LTD,. I campioni non sono stati sottoposti ad alcun trattamento prima del test.

Considerando che i derivati ​​della cellulosa sono fatti di cellulosa, le due strutture sono vicine e le proprietà superficiali della cellulosa sono state riportate in letteratura, quindi questo articolo utilizza la cellulosa come campione standard. Il campione di cellulosa utilizzato aveva il nome in codice C8002 ed è stato acquistato daKIMA, CN. Il campione non è stato sottoposto ad alcun trattamento durante il test.

I reagenti utilizzati nell'esperimento sono: etano, diiodometano, acqua deionizzata, formammide, toluene, cloroformio. Tutti i liquidi erano prodotti analiticamente puri, tranne l'acqua che era disponibile in commercio.

1.2 Metodo sperimentale

In questo esperimento è stata adottata la tecnica dell'assorbimento della colonna e una sezione (circa 10 cm) di una pipetta standard con un diametro interno di 3 mm è stata tagliata come tubo della colonna. Mettere ogni volta 200 mg di campione in polvere nel tubo della colonna, quindi agitarlo per uniformarlo e posizionarlo verticalmente sul fondo del contenitore di vetro del diametro interno di circa 3 cm, in modo che il liquido possa essere adsorbito spontaneamente. Pesare 1 ml del liquido da testare e metterlo in un contenitore di vetro e registrare contemporaneamente il tempo di immersione t e la distanza di immersione X. Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti a temperatura ambiente (25±1°C). Ciascun dato rappresenta la media di tre esperimenti replicati.

1.3 Calcolo dei dati sperimentali

La base teorica per l'applicazione della tecnica di assorbimento della colonna per testare l'energia superficiale dei materiali in polvere è l'equazione di impregnazione di Washburn (equazione di penetrazione di Washburn).

1.3.1 Determinazione del raggio efficace capillare Reff del campione misurato

Quando si applica la formula di immersione Washburn, la condizione per ottenere una bagnatura completa è cos=1. Ciò significa che quando si seleziona un liquido da immergere in un solido per raggiungere una condizione completamente bagnata, possiamo calcolare il raggio efficace capillare Reff del campione misurato testando la distanza e il tempo di immersione secondo un caso speciale della formula di immersione Washburn.

1.3.2 Calcolo della forza di Lifshitz-van der Waals per il campione misurato

Secondo le regole di combinazione di van Oss-Chaudhury-Good, il rapporto tra le reazioni tra liquidi e solidi.

1.3.3 Calcolo della forza acido-base di Lewis dei campioni misurati

In generale, le proprietà acido-base dei solidi sono stimate da dati impregnati di acqua e formammide. Ma in questo articolo abbiamo scoperto che non ci sono problemi quando si utilizza questa coppia di liquidi polari per misurare la cellulosa, ma nel test dell'etere di cellulosa, perché l'altezza di immersione del sistema di soluzione polare di acqua/formammide nell'etere di cellulosa è troppo bassa , rendendo molto difficile la registrazione del tempo. Pertanto, è stato selezionato il sistema di soluzione toluene/cloroformio introdotto da Chibowsk. Secondo Chibowski, anche un sistema con soluzione polare toluene/cloroformio è un'opzione. Questo perché questi due liquidi hanno un'acidità e un'alcalinità molto speciali, ad esempio il toluene non ha acidità di Lewis e il cloroformio non ha alcalinità di Lewis. Per avvicinare i dati ottenuti dal sistema di soluzione toluene/cloroformio al sistema di soluzione polare consigliato di acqua/formammide, utilizziamo questi due sistemi liquidi polari per testare la cellulosa contemporaneamente e quindi ottenere i corrispondenti coefficienti di espansione o contrazione prima dell'applicazione I dati ottenuti impregnando l'etere di cellulosa con toluene/cloroformio sono vicini alle conclusioni ottenute per il sistema acqua/formammide. Poiché gli eteri di cellulosa derivano dalla cellulosa e tra i due esiste una struttura molto simile, questo metodo di stima può essere valido.

1.3.4 Calcolo dell'energia libera superficiale totale

2. Risultati e discussione

2.1 Standard di cellulosa

Poiché i risultati dei nostri test su campioni standard di cellulosa hanno rilevato che questi dati sono in buon accordo con quelli riportati in letteratura, è ragionevole ritenere che debbano essere presi in considerazione anche i risultati dei test sugli eteri di cellulosa.

2.2 Risultati dei test e discussione sull'etere di cellulosa

Durante il test dell'etere di cellulosa è molto difficile registrare la distanza e il tempo di immersione a causa dell'altezza di immersione molto bassa di acqua e formammide. Pertanto, questo articolo sceglie il sistema di soluzione toluene/cloroformio come soluzione alternativa e stima l'acidità di Lewis dell'etere di cellulosa in base ai risultati dei test di acqua/formammide e toluene/cloroformio sulla cellulosa e al rapporto proporzionale tra i due sistemi di soluzione. e potere alcalino.

Prendendo la cellulosa come campione standard, vengono fornite una serie di caratteristiche acido-base degli eteri di cellulosa. Poiché il risultato dell'impregnazione dell'etere di cellulosa con toluene/cloroformio viene testato direttamente, è convincente.

Ciò significa che il tipo e il peso molecolare dei sostituenti influenzano le proprietà acido-base dell'etere di cellulosa e il rapporto tra i due sostituenti, idrossipropile e idrossipropilmetile, sulle proprietà acido-base dell'etere di cellulosa e il peso molecolare sono completamente opposti. Ma potrebbe anche essere correlato al fatto che i MP sono sostituenti misti.

Poiché i sostituenti di MO43 e K8913 sono diversi e hanno lo stesso peso molecolare, ad esempio, il sostituente del primo è idrossimetile e il sostituente del secondo è idrossipropile, ma il peso molecolare di entrambi è 100.000, quindi significa anche che il premessa dello stesso peso molecolare In determinate circostanze, S+ e S- del gruppo idrossimetile possono essere inferiori al gruppo idrossipropile. Ma anche il grado di sostituzione è possibile, perché il grado di sostituzione di K8913 è circa 3,00, mentre quello di MO43 è solo 1,90.

Poiché il grado di sostituzione e i sostituenti di K8913 e K9113 sono gli stessi ma cambia solo il peso molecolare, il confronto tra i due mostra che l'S+ dell'idrossipropilcellulosa diminuisce con l'aumento del peso molecolare, ma l'S- aumenta al contrario. .

Dal riepilogo dei risultati dei test sull'energia superficiale di tutti gli eteri di cellulosa e dei loro componenti, si può vedere che, sia che si tratti di cellulosa o di etere di cellulosa, il componente principale della loro energia superficiale è la forza di Lifshitz-van der Waals, che rappresenta circa il 98%~99%. Inoltre, anche le forze di Lifshitz-van der Waals di questi eteri di cellulosa non ionici (eccetto MO43) sono per lo più maggiori di quelle della cellulosa, il che indica che il processo di eterificazione della cellulosa è anche un processo di aumento delle forze di Lifshitz-van der Waals. E questi aumenti fanno sì che l’energia superficiale dell’etere di cellulosa sia maggiore di quella della cellulosa. Questo fenomeno è molto interessante perché questi eteri di cellulosa sono comunemente utilizzati nella produzione di tensioattivi. Ma i dati sono degni di nota, non solo perché i dati relativi al campione standard di riferimento testato in questo esperimento sono estremamente coerenti con il valore riportato in letteratura, ma i dati relativi al campione standard di riferimento sono estremamente coerenti con il valore riportato in letteratura, per esempio: tutta questa cellulosa Il SAB degli eteri è significativamente più piccolo di quello della cellulosa, e questo è dovuto alle loro basi di Lewis molto grandi. Con la premessa dello stesso sostituente e dello stesso grado di sostituzione, l'energia libera superficiale dell'idrossipropilcellulosa è proporzionale al peso molecolare; mentre l'energia libera superficiale dell'idrossipropilmetilcellulosa è proporzionale al grado di sostituzione ed inversamente proporzionale al peso molecolare.

Inoltre, poiché gli eteri di cellulosa hanno SLW più grandi della cellulosa, ma sappiamo già che la loro disperdibilità è migliore della cellulosa, si può preliminarmente considerare che il componente principale degli SLW che costituiscono gli eteri di cellulosa non ionici dovrebbe essere la forza di Londra.

3. Conclusione

Gli studi hanno dimostrato che il tipo di sostituente, il grado di sostituzione e il peso molecolare hanno una grande influenza sull'energia superficiale e sulla composizione dell'etere di cellulosa non ionico. E questo effetto sembra avere la seguente regolarità:

(1) S+ dell'etere di cellulosa non ionico è più piccolo di S-.

(2) L'energia superficiale dell'etere di cellulosa non ionico è dominata dalla forza di Lifshitz-van der Waals.

(3) Il peso molecolare e i sostituenti hanno un effetto sull'energia superficiale degli eteri di cellulosa non ionici, ma dipende principalmente dal tipo di sostituenti.

(4) Con la premessa dello stesso sostituente e dello stesso grado di sostituzione, l'energia libera superficiale dell'idrossipropilcellulosa è proporzionale al peso molecolare; mentre l'energia libera superficiale dell'idrossipropilmetilcellulosa è proporzionale al grado di sostituzione ed inversamente proporzionale al peso molecolare.

(5) Il processo di eterificazione della cellulosa è un processo in cui la forza di Lifshitz-van der Waals aumenta, ed è anche un processo in cui l'acidità di Lewis diminuisce e l'alcalinità di Lewis aumenta.