Efeitos dos substituintes e do peso molecular nas propriedades da superfície do éter de celulose não iônico

De acordo com a teoria da impregnação de Washburn (Teoria da Penetração) e a teoria da combinação de van Oss-Good-Chaudhury (Teoria da Combinação) e a aplicação da tecnologia de pavio colunar (Técnica de Wicking da Coluna), vários éteres de celulose não iônicos, como a metilcelulose. celulose, hidroxipropil celulose e hidroxipropil metilcelulose foram testadas. Devido aos diferentes substituintes, graus de substituição e pesos moleculares destes éteres de celulose, as suas energias superficiais e os seus componentes são significativamente diferentes. Os dados mostram que a base de Lewis do éter de celulose não iônico é maior que o ácido de Lewis, e o principal componente da energia livre de superfície é a força de Lifshitz-van der Waals. A energia superficial do hidroxipropil e sua composição são maiores que as do hidroximetil. Sob a premissa do mesmo substituinte e grau de substituição, a energia livre superficial da hidroxipropilcelulose é proporcional ao peso molecular; enquanto a energia livre de superfície da hidroxipropilmetilcelulose é proporcional ao grau de substituição e inversamente proporcional ao peso molecular. O experimento também descobriu que a energia superficial do substituinte hidroxipropil e hidroxipropilmetil no éter de celulose não iônico parece ser maior do que a energia superficial da celulose, e o experimento prova que a energia superficial da celulose testada e sua composição Os dados são consistente com a literatura.

Palavras-chave: éteres de celulose não iônicos; substituintes e graus de substituição; peso molecular; propriedades de superfície; tecnologia de pavio

O éter de celulose é uma grande categoria de derivados de celulose, que podem ser divididos em éteres aniônicos, catiônicos e não iônicos de acordo com a estrutura química de seus substituintes éteres. O éter de celulose também é um dos primeiros produtos pesquisados ​​e produzidos na química de polímeros. Até agora, o éter de celulose tem sido amplamente utilizado na medicina, higiene, cosméticos e indústria alimentícia.

Embora os éteres de celulose, como a hidroximetilcelulose, a hidroxipropilcelulose e a hidroxipropilmetilcelulose, tenham sido produzidos industrialmente e muitas das suas propriedades tenham sido estudadas, a sua energia superficial, propriedades reativas a ácidos e álcalis não foram relatadas até agora. Uma vez que a maioria destes produtos são utilizados num ambiente líquido, e as características da superfície, especialmente as características da reacção ácido-base, são susceptíveis de afectar a sua utilização, é muito necessário estudar e compreender as características químicas da superfície deste éter de celulose comercial.

Considerando que as amostras de derivados de celulose são muito fáceis de serem alteradas com a mudança das condições de preparo, este trabalho utiliza produtos comerciais como amostras para caracterizar sua energia superficial, e com base nisso, a influência dos substituintes e pesos moleculares de tais produtos na superfície propriedades são estudadas.

1. Parte experimental

1.1 Matérias-primas

O éter de celulose não iônico utilizado no experimento é o produto deKIMA QUÍMICA CO., LTD,. As amostras não foram submetidas a nenhum tratamento antes do teste.

Considerando que os derivados de celulose são feitos de celulose, as duas estruturas são próximas, e as propriedades superficiais da celulose já foram relatadas na literatura, então este artigo utiliza a celulose como amostra padrão. A amostra de celulose utilizada recebeu o codinome C8002 e foi adquirida daKIMA, CN. A amostra não foi submetida a nenhum tratamento durante o teste.

Os reagentes utilizados no experimento são: etano, diiodometano, água deionizada, formamida, tolueno, clorofórmio. Todos os líquidos eram produtos analiticamente puros, exceto a água que estava disponível comercialmente.

1.2 Método experimental

Neste experimento, foi adotada a técnica de absorção de coluna, e uma seção (cerca de 10 cm) de uma pipeta padrão com diâmetro interno de 3 mm foi cortada como tubo da coluna. Coloque 200 mg de amostra em pó no tubo da coluna de cada vez, agite-o para uniformizá-lo e coloque-o verticalmente no fundo do recipiente de vidro com diâmetro interno de cerca de 3 cm, para que o líquido possa ser adsorvido espontaneamente. Pese 1 mL do líquido a ser testado e coloque-o em um recipiente de vidro e registre o tempo de imersão t e a distância de imersão X ao mesmo tempo. Todos os experimentos foram realizados em temperatura ambiente (25±1°C). Cada dado é a média de três experimentos replicados.

1.3 Cálculo de dados experimentais

A base teórica para a aplicação da técnica de absorção de coluna para testar a energia superficial de materiais em pó é a equação de impregnação de Washburn (equação de penetração de Washburn).

1.3.1 Determinação do raio efetivo capilar Reff da amostra medida

Ao aplicar a fórmula de imersão Washburn, a condição para obter umedecimento completo é cos=1. Isso significa que quando um líquido é selecionado para ser imerso em um sólido para atingir uma condição totalmente úmida, podemos calcular o raio efetivo capilar Reff da amostra medida testando a distância e o tempo de imersão de acordo com um caso especial da fórmula de imersão de Washburn.

1.3.2 Cálculo da força de Lifshitz-van der Waals para a amostra medida

De acordo com as regras de combinação de van Oss-Chaudhury-Good, a relação entre as reações entre líquidos e sólidos.

1.3.3 Cálculo da força ácido-base de Lewis das amostras medidas

Em geral, as propriedades ácido-base dos sólidos são estimadas a partir de dados impregnados com água e formamida. Mas neste artigo descobrimos que não há problema ao usar este par de líquidos polares para medir celulose, mas sim no teste de éter de celulose, pois a altura de imersão do sistema de solução polar de água/formamida em éter de celulose é muito baixa , tornando o registro do tempo muito difícil. Portanto, o sistema de solução de tolueno/clorofórmio introduzido por Chibowsk foi selecionado. Segundo Chibowski, um sistema de solução polar de tolueno/clorofórmio também é uma opção. Isso ocorre porque esses dois líquidos têm acidez e alcalinidade muito especiais, por exemplo, o tolueno não tem acidez de Lewis e o clorofórmio não tem alcalinidade de Lewis. Para aproximar os dados obtidos pelo sistema de solução de tolueno/clorofórmio ao sistema de solução polar recomendado de água/formamida, usamos esses dois sistemas líquidos polares para testar a celulose ao mesmo tempo e, em seguida, obtemos os coeficientes de expansão ou contração correspondentes antes da aplicação Os dados obtidos pela impregnação de éter de celulose com tolueno/clorofórmio estão próximos das conclusões obtidas para o sistema água/formamida. Como os éteres de celulose são derivados da celulose e existe uma estrutura muito semelhante entre os dois, este método de estimativa pode ser válido.

1.3.4 Cálculo da energia livre superficial total

2. Resultados e Discussão

2.1 Padrão de celulose

Uma vez que os resultados dos nossos testes em amostras padrão de celulose revelaram que estes dados estão de acordo com os relatados na literatura, é razoável acreditar que os resultados dos testes em éteres de celulose também devem ser considerados.

2.2 Resultados de testes e discussão sobre éter de celulose

Durante o teste do éter de celulose, é muito difícil registrar a distância e o tempo de imersão devido à altura de imersão muito baixa da água e da formamida. Portanto, este artigo escolhe o sistema de solução de tolueno/clorofórmio como solução alternativa e estima a acidez de Lewis do éter de celulose com base nos resultados dos testes de água/formamida e tolueno/clorofórmio na celulose e na relação proporcional entre os dois sistemas de solução. e poder alcalino.

Tomando a celulose como amostra padrão, são fornecidas uma série de características ácido-base dos éteres de celulose. Como o resultado da impregnação do éter de celulose com tolueno/clorofórmio é testado diretamente, ele é convincente.

Isto significa que o tipo e o peso molecular dos substituintes afetam as propriedades ácido-base do éter de celulose, e a relação entre os dois substituintes, hidroxipropil e hidroxipropilmetil, nas propriedades ácido-base do éter de celulose e o peso molecular é completamente oposto. Mas também pode estar relacionado com o facto de os deputados serem substituintes mistos.

Como os substituintes de MO43 e K8913 são diferentes e têm o mesmo peso molecular, por exemplo, o substituinte do primeiro é hidroximetil e o substituinte do último é hidroxipropil, mas o peso molecular de ambos é 100.000, então também significa que o premissa do mesmo peso molecular Nessas circunstâncias, o S+ e S- do grupo hidroximetil pode ser menor que o grupo hidroxipropil. Mas o grau de substituição também é possível, porque o grau de substituição do K8913 é de cerca de 3,00, enquanto o do MO43 é de apenas 1,90.

Como o grau de substituição e os substituintes de K8913 e K9113 são iguais, mas apenas o peso molecular é diferente, a comparação entre os dois mostra que o S+ da hidroxipropilcelulose diminui com o aumento do peso molecular, mas o S- aumenta pelo contrário. .

A partir do resumo dos resultados dos testes da energia superficial de todos os éteres de celulose e seus componentes, pode-se observar que, seja celulose ou éter de celulose, o principal componente de sua energia superficial é a força de Lifshitz-van der Waals, responsável por cerca de 98% ~ 99%. Além disso, as forças de Lifshitz-van der Waals destes éteres de celulose não iônicos (exceto MO43) também são em sua maioria maiores que as da celulose, o que indica que o processo de eterificação da celulose é também um processo de aumento das forças de Lifshitz-van der Waals. E esses aumentos fazem com que a energia superficial do éter de celulose seja maior que a da celulose. Este fenômeno é muito interessante porque esses éteres de celulose são comumente utilizados na produção de surfactantes. Mas os dados são dignos de nota, não só porque os dados sobre a amostra padrão de referência testada neste experimento são extremamente consistentes com o valor relatado na literatura, os dados sobre a amostra padrão de referência são extremamente consistentes com o valor relatado na literatura, por exemplo: todas essas celulose O SAB dos éteres é significativamente menor que o da celulose, e isso se deve às suas bases de Lewis muito grandes. Sob a premissa do mesmo substituinte e grau de substituição, a energia livre superficial da hidroxipropilcelulose é proporcional ao peso molecular; enquanto a energia livre de superfície da hidroxipropilmetilcelulose é proporcional ao grau de substituição e inversamente proporcional ao peso molecular.

Além disso, como os éteres de celulose possuem SLW maior que a celulose, mas já sabemos que sua dispersibilidade é melhor que a da celulose, pode-se considerar preliminarmente que o principal componente do SLW que constitui os éteres de celulose não iônicos deve ser a força de Londres.

3. Conclusão

Estudos demonstraram que o tipo de substituinte, o grau de substituição e o peso molecular têm grande influência na energia superficial e na composição do éter de celulose não iônico. E este efeito parece ter a seguinte regularidade:

(1) S+ do éter de celulose não iônico é menor que S-.

(2) A energia superficial do éter de celulose não iônico é dominada pela força de Lifshitz-van der Waals.

(3) O peso molecular e os substituintes afetam a energia superficial dos éteres de celulose não iônicos, mas depende principalmente do tipo de substituintes.

(4) Sob a premissa do mesmo substituinte e grau de substituição, a energia livre superficial da hidroxipropilcelulose é proporcional ao peso molecular; enquanto a energia livre de superfície da hidroxipropilmetilcelulose é proporcional ao grau de substituição e inversamente proporcional ao peso molecular.

(5) O processo de eterificação da celulose é um processo no qual a força de Lifshitz-van der Waals aumenta, e é também um processo no qual a acidez de Lewis diminui e a alcalinidade de Lewis aumenta.