Effecten van substituenten en molecuulgewicht op oppervlakte-eigenschappen van niet-ionische cellulose-ether

Volgens de impregnatietheorie van Washburn (Penetration Theory) en de combinatietheorie van Van Oss-Good-Chaudhury (Combining Theory) en de toepassing van kolomvormige lonttechnologie (Column Wicking Technique), zijn verschillende niet-ionische cellulose-ethers, zoals methylcellulose. cellulose, hydroxypropylcellulose en hydroxypropylmethylcellulose werden getest. Vanwege de verschillende substituenten, substitutiegraden en molecuulgewichten van deze cellulose-ethers zijn hun oppervlakte-energieën en hun componenten aanzienlijk verschillend. Uit de gegevens blijkt dat de Lewis-base van niet-ionische cellulose-ether groter is dan het Lewis-zuur, en dat de belangrijkste component van de vrije oppervlakte-energie de Lifshitz-van der Waals-kracht is. De oppervlakte-energie van hydroxypropyl en de samenstelling ervan zijn groter dan die van hydroxymethyl. Onder het uitgangspunt van dezelfde substituent en substitutiegraad is de vrije oppervlakte-energie van hydroxypropylcellulose evenredig met het molecuulgewicht; terwijl de vrije oppervlakte-energie van hydroxypropylmethylcellulose evenredig is met de substitutiegraad en omgekeerd evenredig met het molecuulgewicht. Uit het experiment bleek ook dat de oppervlakte-energie van de substituent hydroxypropyl en hydroxypropylmethyl in de niet-ionische cellulose-ether groter lijkt te zijn dan de oppervlakte-energie van cellulose, en het experiment bewijst dat de oppervlakte-energie van de geteste cellulose en de samenstelling ervan. consistent met de literatuur.

Trefwoorden: niet-ionische cellulose-ethers; substituenten en substitutiegraden; molecuulgewicht; oppervlakte-eigenschappen; lont technologie

Cellulose-ether is een grote categorie cellulosederivaten, die kunnen worden onderverdeeld in anionische, kationische en niet-ionische ethers, afhankelijk van de chemische structuur van hun ethersubstituenten. Cellulose-ether is ook een van de eerste producten die in de polymeerchemie zijn onderzocht en geproduceerd. Tot nu toe wordt cellulose-ether op grote schaal gebruikt in de geneeskunde, hygiëne, cosmetica en de voedingsindustrie.

Hoewel cellulose-ethers, zoals hydroxymethylcellulose, hydroxypropylcellulose en hydroxypropylmethylcellulose, industrieel zijn geproduceerd en veel van hun eigenschappen zijn onderzocht, zijn hun oppervlakte-energie en zure alkali-reactieve eigenschappen tot nu toe niet gerapporteerd. Aangezien de meeste van deze producten in een vloeibare omgeving worden gebruikt en de oppervlakte-eigenschappen, vooral de zuur-base-reactie-eigenschappen, waarschijnlijk hun gebruik zullen beïnvloeden, is het zeer noodzakelijk om de chemische oppervlakte-eigenschappen van deze commerciële cellulose-ether te bestuderen en te begrijpen.

Gezien het feit dat de monsters van cellulosederivaten zeer gemakkelijk te veranderen zijn als de bereidingsomstandigheden veranderen, gebruikt dit artikel commerciële producten als monsters om hun oppervlakte-energie te karakteriseren, en op basis hiervan de invloed van substituenten en molecuulgewichten van dergelijke producten op het oppervlak. eigenschappen worden bestudeerd.

1. Experimenteel deel

1.1 Grondstoffen

De in het experiment gebruikte niet-ionische cellulose-ether is het product vanKIMA CHEMISCH CO.,LTD,. De monsters zijn vóór het testen aan geen enkele behandeling onderworpen.

Aangezien cellulosederivaten van cellulose zijn gemaakt, liggen de twee structuren dicht bij elkaar en zijn de oppervlakte-eigenschappen van cellulose in de literatuur gerapporteerd, dus gebruikt dit artikel cellulose als het standaardmonster. Het gebruikte cellulosemonster had de codenaam C8002 en werd gekocht bijKIMA, CN. Het monster heeft tijdens de test geen enkele behandeling ondergaan.

De in het experiment gebruikte reagentia zijn: ethaan, dijoodmethaan, gedeïoniseerd water, formamide, tolueen, chloroform. Alle vloeistoffen waren analytisch zuivere producten, behalve water dat in de handel verkrijgbaar was.

1.2 Experimentele methode

Bij dit experiment werd de kolomzuigtechniek toegepast en werd een gedeelte (ongeveer 10 cm) van een standaardpipet met een binnendiameter van 3 mm als kolombuis afgesneden. Doe elke keer 200 mg poedervormig monster in de kolombuis, schud het vervolgens zodat het gelijkmatig wordt en plaats het verticaal op de bodem van de glazen container met een binnendiameter van ongeveer 3 cm, zodat de vloeistof spontaan kan worden geadsorbeerd. Weeg 1 ml van de te testen vloeistof af, doe dit in een glazen container en noteer tegelijkertijd de onderdompelingstijd t en de onderdompelingsafstand X. Alle experimenten werden uitgevoerd bij kamertemperatuur (25±1°C). Elke gegevens is het gemiddelde van drie herhaalde experimenten.

1.3 Berekening van experimentele gegevens

De theoretische basis voor de toepassing van de kolomafvoertechniek om de oppervlakte-energie van poedermaterialen te testen is de Washburn-impregnatievergelijking (Washburn-penetratievergelijking).

1.3.1 Bepaling van de capillaire effectieve straal Reff van het gemeten monster

Bij toepassing van de Washburn-dompelformule is de voorwaarde voor het bereiken van volledige bevochtiging cos=1. Dit betekent dat wanneer een vloeistof wordt geselecteerd om in een vaste stof te worden ondergedompeld om een ​​volledig natte toestand te bereiken, we de capillaire effectieve straal Reff van het gemeten monster kunnen berekenen door de onderdompelingsafstand en -tijd te testen volgens een speciaal geval van de Washburn-onderdompelingsformule.

1.3.2 Lifshitz-van der Waals-krachtberekening voor het gemeten monster

Volgens de combinatieregels van Van Oss-Chaudhury-Good, de relatie tussen de reacties tussen vloeistoffen en vaste stoffen.

1.3.3 Berekening van de Lewis-zuur-base-kracht van de gemeten monsters

In het algemeen worden de zuur-base-eigenschappen van vaste stoffen geschat op basis van gegevens geïmpregneerd met water en formamide. Maar in dit artikel ontdekten we dat er geen probleem is bij het gebruik van dit paar polaire vloeistoffen om cellulose te meten, maar bij de test van cellulose-ether, omdat de onderdompelingshoogte van het polaire oplossingssysteem van water/formamide in cellulose-ether te laag is. , waardoor tijdregistratie erg moeilijk wordt. Daarom werd gekozen voor het door Chibowsk geïntroduceerde tolueen/chloroform-oplossingssysteem. Volgens Chibowski is een tolueen/chloroform polair oplossingssysteem ook een optie. Dit komt omdat deze twee vloeistoffen een zeer speciale zuurgraad en alkaliteit hebben, tolueen heeft bijvoorbeeld geen Lewis-zuurgraad en chloroform heeft geen Lewis-alkaliteit. Om de gegevens verkregen door het tolueen/chloroform-oplossingssysteem dichter bij het aanbevolen polaire oplossingssysteem van water/formamide te krijgen, gebruiken we deze twee polaire vloeistofsystemen om tegelijkertijd cellulose te testen en vervolgens de overeenkomstige uitzettings- of contractiecoëfficiënten te verkrijgen. vóór het aanbrengen De gegevens verkregen door het impregneren van cellulose-ether met tolueen/chloroform liggen dicht bij de conclusies verkregen voor het water/formamidesysteem. Omdat cellulose-ethers zijn afgeleid van cellulose en er een zeer vergelijkbare structuur tussen de twee bestaat, kan deze schattingsmethode geldig zijn.

1.3.4 Berekening van de totale vrije oppervlakte-energie

2. Resultaten en discussie

2.1 Cellulosestandaard

Omdat uit onze testresultaten met standaardmonsters van cellulose bleek dat deze gegevens goed overeenkomen met die in de literatuur, is het redelijk om aan te nemen dat de testresultaten met cellulose-ethers ook in aanmerking moeten worden genomen.

2.2 Testresultaten en bespreking van cellulose-ether

Tijdens de test met cellulose-ether is het erg moeilijk om de immersieafstand en -tijd te registreren vanwege de zeer lage immersiehoogte van water en formamide. Daarom kiest dit artikel het tolueen/chloroform-oplossingssysteem als alternatieve oplossing, en schat het de Lewis-zuurgraad van cellulose-ether op basis van de testresultaten van water/formamide en tolueen/chloroform op cellulose en de proportionele relatie tussen de twee oplossingssystemen. en alkalisch vermogen.

Door cellulose als standaardmonster te nemen, wordt een reeks zuur-base-eigenschappen van cellulose-ethers gegeven. Omdat het resultaat van het impregneren van cellulose-ether met tolueen/chloroform direct wordt getest, is het overtuigend.

Dit betekent dat het type en het molecuulgewicht van de substituenten de zuur-base-eigenschappen van cellulose-ether beïnvloeden, en de relatie tussen de twee substituenten, hydroxypropyl en hydroxypropylmethyl, op de zuur-base-eigenschappen van cellulose-ether en het molecuulgewicht volledig tegengesteld. Maar het kan ook te maken hebben met het feit dat parlementsleden gemengde substituenten zijn.

Omdat de substituenten van MO43 en K8913 verschillend zijn en hetzelfde molecuulgewicht hebben, is de substituent van de eerste bijvoorbeeld hydroxymethyl en de substituent van de laatste is hydroxypropyl, maar het molecuulgewicht van beide is 100.000, dus het betekent ook dat de uitgangspunt van hetzelfde molecuulgewicht. Onder de gegeven omstandigheden kunnen de S+ en S- van de hydroxymethylgroep kleiner zijn dan de hydroxypropylgroep. Maar de substitutiegraad is ook mogelijk, want de substitutiegraad van K8913 bedraagt ​​ongeveer 3,00, terwijl die van MO43 slechts 1,90 bedraagt.

Omdat de substitutiegraad en substituenten van K8913 en K9113 hetzelfde zijn, maar alleen het molecuulgewicht verschillend is, laat de vergelijking tussen de twee zien dat de S+ van hydroxypropylcellulose afneemt met de toename van het molecuulgewicht, maar dat S- integendeel toeneemt. .

Uit de samenvatting van de testresultaten van de oppervlakte-energie van alle cellulose-ethers en hun componenten kan worden afgeleid dat, of het nu cellulose of cellulose-ether is, de belangrijkste component van hun oppervlakte-energie de Lifshitz-van der Waals-kracht is, die verantwoordelijk is voor ongeveer 98% ~ 99%. Bovendien zijn de Lifshitz-van der Waals-krachten van deze niet-ionische cellulose-ethers (behalve MO43) ook meestal groter dan die van cellulose, wat aangeeft dat het veretheringsproces van cellulose ook een proces is van toenemende Lifshitz-van der Waals-krachten. En deze verhogingen leiden ertoe dat de oppervlakte-energie van cellulose-ether groter is dan die van cellulose. Dit fenomeen is zeer interessant omdat deze cellulose-ethers vaak worden gebruikt bij de productie van oppervlakteactieve stoffen. Maar de gegevens zijn opmerkelijk, niet alleen omdat de gegevens over het referentiestandaardmonster dat in dit experiment is getest extreem consistent zijn met de waarde die in de literatuur wordt gerapporteerd, de gegevens over het referentiestandaardmonster zijn extreem consistent met de waarde die in de literatuur wordt gerapporteerd. voorbeeld: al deze cellulose. De SAB van ethers is aanzienlijk kleiner dan die van cellulose, en dit komt door hun zeer grote Lewis-basen. Onder het uitgangspunt van dezelfde substituent en substitutiegraad is de vrije oppervlakte-energie van hydroxypropylcellulose evenredig met het molecuulgewicht; terwijl de vrije oppervlakte-energie van hydroxypropylmethylcellulose evenredig is met de substitutiegraad en omgekeerd evenredig met het molecuulgewicht.

Omdat cellulose-ethers een grotere SLW hebben dan cellulose, maar we al weten dat hun dispergeerbaarheid beter is dan die van cellulose, kan bovendien voorlopig worden aangenomen dat de belangrijkste component van SLW die niet-ionische cellulose-ethers vormt, de Londense kracht zou moeten zijn.

3. Conclusie

Uit onderzoek is gebleken dat het type substituent, de substitutiegraad en het molecuulgewicht een grote invloed hebben op de oppervlakte-energie en samenstelling van niet-ionische cellulose-ether. En dit effect lijkt de volgende regelmaat te hebben:

(1) S+ van niet-ionische cellulose-ether is kleiner dan S-.

(2) De oppervlakte-energie van niet-ionische cellulose-ether wordt gedomineerd door de Lifshitz-van der Waals-kracht.

(3) Molecuulgewicht en substituenten hebben een effect op de oppervlakte-energie van niet-ionische cellulose-ethers, maar dit hangt voornamelijk af van het type substituenten.

(4) Uitgaande van dezelfde substituent en dezelfde substitutiegraad is de vrije oppervlakte-energie van hydroxypropylcellulose evenredig met het molecuulgewicht; terwijl de vrije oppervlakte-energie van hydroxypropylmethylcellulose evenredig is met de substitutiegraad en omgekeerd evenredig met het molecuulgewicht.

(5) Het veretheringsproces van cellulose is een proces waarbij de Lifshitz-van der Waals-kracht toeneemt, en het is ook een proces waarbij de Lewis-zuurgraad afneemt en de Lewis-alkaliteit toeneemt.