Apakah hubungan antara DS dan berat molekul Natrium CMC

Sodium carboxymethyl cellulose (CMC) ialah polimer larut air serba boleh yang diperoleh daripada selulosa, polisakarida semulajadi yang terdapat dalam dinding sel tumbuhan. Ia digunakan secara meluas dalam pelbagai industri, termasuk makanan, farmaseutikal, kosmetik, tekstil, dan penggerudian minyak, kerana sifat dan fungsinya yang unik.

Struktur dan Sifat Sodium CMC:

CMC disintesis oleh pengubahsuaian kimia selulosa, di mana kumpulan karboksimetil (-CH2-COOH) diperkenalkan ke tulang belakang selulosa melalui tindak balas eterifikasi atau pengesteran. Darjah penggantian (DS) merujuk kepada purata bilangan kumpulan karboksimetil setiap unit glukosa dalam rantai selulosa. Nilai DS lazimnya berkisar antara 0.2 hingga 1.5, bergantung pada keadaan sintesis dan sifat CMC yang dikehendaki.

Berat molekul CMC merujuk kepada saiz purata rantai polimer dan boleh berbeza dengan ketara bergantung kepada faktor seperti sumber selulosa, kaedah sintesis, keadaan tindak balas, dan teknik penulenan. Berat molekul sering dicirikan oleh parameter seperti berat molekul purata nombor (Mn), berat molekul purata berat (Mw), dan berat molekul purata kelikatan (Mv).

Sintesis Natrium CMC:

Sintesis CMC biasanya melibatkan tindak balas selulosa dengan natrium hidroksida (NaOH) dan asid kloroasettik (ClCH2COOH) atau garam natriumnya (NaClCH2COOH). Tindak balas berlaku melalui penggantian nukleofilik, di mana kumpulan hidroksil (-OH) pada tulang belakang selulosa bertindak balas dengan kumpulan kloroasetil (-ClCH2COOH) untuk membentuk kumpulan karboksimetil (-CH2-COOH).

DS CMC boleh dikawal dengan melaraskan nisbah molar asid kloroasetik kepada selulosa, masa tindak balas, suhu, pH, dan parameter lain semasa sintesis. Nilai DS yang lebih tinggi biasanya dicapai dengan kepekatan asid kloroasettik yang lebih tinggi dan masa tindak balas yang lebih lama.

Berat molekul CMC dipengaruhi oleh pelbagai faktor, termasuk taburan berat molekul bahan selulosa permulaan, tahap degradasi semasa sintesis, dan tahap pempolimeran rantai CMC. Kaedah sintesis dan keadaan tindak balas yang berbeza boleh mengakibatkan CMC dengan taburan berat molekul dan saiz purata yang berbeza-beza.

Hubungan Antara DS dan Berat Molekul:

Hubungan antara tahap penggantian (DS) dan berat molekul natrium karboksimetil selulosa (CMC) adalah kompleks dan dipengaruhi oleh pelbagai faktor yang berkaitan dengan sintesis, struktur dan sifat CMC.

1. Kesan DS pada Berat Molekul:
   • Nilai DS yang lebih tinggi biasanya sepadan dengan berat molekul CMC yang lebih rendah. Ini kerana nilai DS yang lebih tinggi menunjukkan tahap penggantian kumpulan karboksimetil yang lebih tinggi pada tulang belakang selulosa, yang membawa kepada rantai polimer yang lebih pendek dan berat molekul yang lebih rendah secara purata.
   • Pengenalan kumpulan karboksimetil mengganggu ikatan hidrogen antara molekul antara rantai selulosa, mengakibatkan pemotongan rantai dan pemecahan semasa sintesis. Proses degradasi ini boleh membawa kepada pengurangan berat molekul CMC, terutamanya pada nilai DS yang lebih tinggi dan tindak balas yang lebih meluas.
   • Sebaliknya, nilai DS yang lebih rendah dikaitkan dengan rantai polimer yang lebih panjang dan berat molekul yang lebih tinggi secara purata. Ini kerana darjah penggantian yang lebih rendah mengakibatkan kumpulan karboksimetil yang lebih sedikit bagi setiap unit glukosa, membolehkan segmen rantai selulosa yang tidak diubah suai yang lebih panjang kekal utuh.
2. Kesan Berat Molekul pada DS:
   • Berat molekul CMC boleh mempengaruhi tahap penggantian yang dicapai semasa sintesis. Berat molekul selulosa yang lebih tinggi mungkin menyediakan lebih banyak tapak reaktif untuk tindak balas karboksimetilasi, membolehkan tahap penggantian yang lebih tinggi dicapai dalam keadaan tertentu.
   • Walau bagaimanapun, berat molekul selulosa yang terlalu tinggi juga boleh menghalang kebolehcapaian kumpulan hidroksil untuk tindak balas penggantian, yang membawa kepada karboksimetilasi yang tidak lengkap atau tidak cekap dan nilai DS yang lebih rendah.
   • Selain itu, taburan berat molekul bahan selulosa permulaan boleh menjejaskan taburan nilai DS dalam produk CMC yang terhasil. Heterogeniti dalam berat molekul boleh mengakibatkan variasi dalam kereaktifan dan kecekapan penggantian semasa sintesis, membawa kepada julat nilai DS yang lebih luas dalam produk CMC akhir.

Kesan DS dan Berat Molekul pada Sifat dan Aplikasi CMC:

1. Sifat reologi:
   • Tahap penggantian (DS) dan berat molekul CMC boleh mempengaruhi sifat reologinya, termasuk kelikatan, kelakuan penipisan ricih dan pembentukan gel.
   • Nilai DS yang lebih tinggi biasanya menghasilkan kelikatan yang lebih rendah dan lebih banyak tingkah laku pseudoplastik (penipisan ricih) disebabkan oleh rantai polimer yang lebih pendek dan pengurangan kekusutan molekul.
   • Sebaliknya, nilai DS yang lebih rendah dan berat molekul yang lebih tinggi cenderung untuk meningkatkan kelikatan dan meningkatkan kelakuan pseudoplastik penyelesaian CMC, yang membawa kepada sifat penebalan dan penggantungan yang lebih baik.
2. Keterlarutan Air dan Kelakuan Bengkak:
   • CMC dengan nilai DS yang lebih tinggi cenderung untuk mempamerkan keterlarutan air yang lebih besar dan kadar penghidratan yang lebih cepat disebabkan oleh kepekatan kumpulan karboksimetil hidrofilik yang lebih tinggi di sepanjang rantai polimer.
   • Walau bagaimanapun, nilai DS yang terlalu tinggi juga boleh mengakibatkan keterlarutan air berkurangan dan peningkatan pembentukan gel, terutamanya pada kepekatan tinggi atau dengan kehadiran kation multivalen.
   • Berat molekul CMC boleh menjejaskan tingkah laku bengkak dan sifat pengekalan airnya. Berat molekul yang lebih tinggi biasanya menghasilkan kadar penghidratan yang lebih perlahan dan kapasiti pengekalan air yang lebih besar, yang boleh memberi kelebihan dalam aplikasi yang memerlukan pelepasan berterusan atau kawalan lembapan.
3. Sifat Pembentukan Filem dan Penghalang:
   • Filem CMC yang terbentuk daripada larutan atau serakan mempamerkan sifat penghalang terhadap oksigen, lembapan dan gas lain, menjadikannya sesuai untuk aplikasi pembungkusan dan salutan.
   • DS dan berat molekul CMC boleh mempengaruhi kekuatan mekanikal, fleksibiliti, dan kebolehtelapan filem yang terhasil. Nilai DS yang lebih tinggi dan berat molekul yang lebih rendah boleh membawa kepada filem dengan kekuatan tegangan yang lebih rendah dan kebolehtelapan yang lebih tinggi disebabkan oleh rantai polimer yang lebih pendek dan interaksi antara molekul yang berkurangan.
4. Aplikasi dalam Pelbagai Industri:
   • CMC dengan nilai DS yang berbeza dan berat molekul mendapat aplikasi dalam pelbagai industri, termasuk makanan, farmaseutikal, kosmetik, tekstil dan penggerudian minyak.
   • Dalam industri makanan, CMC digunakan sebagai pemekat, penstabil, dan pengemulsi dalam produk seperti sos, pembalut dan minuman. Pilihan gred CMC bergantung pada tekstur yang dikehendaki, rasa mulut dan keperluan kestabilan produk akhir.
   • Dalam formulasi farmaseutikal, CMC berfungsi sebagai pengikat, penghancur, dan agen pembentuk filem dalam tablet, kapsul dan suspensi oral. DS dan berat molekul CMC boleh mempengaruhi kinetik pelepasan dadah, bioavailabiliti dan pematuhan pesakit.
   • Dalam industri kosmetik, CMC digunakan dalam krim, losyen, dan produk penjagaan rambut sebagai pemekat, penstabil dan pelembap. Pilihan gred CMC bergantung pada faktor seperti tekstur, kebolehtebaran dan sifat deria.
   • Dalam industri penggerudian minyak, CMC digunakan dalam cecair penggerudian sebagai pelikat, agen kawalan kehilangan bendalir dan perencat syal. DS dan berat molekul CMC boleh menjejaskan prestasinya dalam mengekalkan kestabilan lubang telaga, mengawal kehilangan bendalir dan menghalang pembengkakan tanah liat.

Kesimpulan:

Hubungan antara tahap penggantian (DS) dan berat molekul natrium karboksimetil selulosa (CMC) adalah kompleks dan dipengaruhi oleh pelbagai faktor yang berkaitan dengan sintesis, struktur dan sifat CMC. Nilai DS yang lebih tinggi biasanya sepadan dengan berat molekul CMC yang lebih rendah, manakala nilai DS yang lebih rendah dan berat molekul yang lebih tinggi cenderung menghasilkan rantai polimer yang lebih panjang dan berat molekul yang lebih tinggi secara purata. Memahami hubungan ini adalah penting untuk mengoptimumkan sifat dan prestasi CMC dalam pelbagai aplikasi merentas industri, termasuk makanan, farmaseutikal, kosmetik, tekstil dan penggerudian minyak. Usaha penyelidikan dan pembangunan lanjut diperlukan untuk menjelaskan mekanisme asas dan mengoptimumkan sintesis dan pencirian CMC dengan taburan DS dan berat molekul yang disesuaikan untuk aplikasi tertentu.