Efectele substituenților și greutății moleculare asupra proprietăților suprafeței eterului de celuloză neionic

Conform teoriei de impregnare a lui Washburn (Teoria Penetrării) și teoriei combinației lui van Oss-Good-Chaudhury (Teoria combinarii) și aplicarea tehnologiei fitilului columnar (Tehnica de absorbție a coloanelor), mai mulți eteri de celuloză neionici, cum ar fi metil celuloza Proprietățile de suprafață ale au fost testate celuloza, hidroxipropil celuloza si hidroxipropil metilceluloza. Datorită diferitelor substituenți, grade de substituție și greutăți moleculare ale acestor eteri de celuloză, energiile lor de suprafață și componentele lor sunt semnificativ diferite. Datele arată că baza Lewis a eterului de celuloză neionic este mai mare decât acidul Lewis, iar componenta principală a energiei libere de suprafață este forța Lifshitz-van der Waals. Energia de suprafață a hidroxipropilului și compoziția sa sunt mai mari decât cea a hidroximetilului. Sub premisa aceluiași substituent și grad de substituție, energia liberă de suprafață a hidroxipropil celulozei este proporțională cu greutatea moleculară; în timp ce energia liberă de suprafață a hidroxipropilmetilcelulozei este proporțională cu gradul de substituție și invers proporțională cu greutatea moleculară. Experimentul a mai constatat că energia de suprafață a substituentului hidroxipropil și hidroxipropilmetil în eterul de celuloză neionic pare să fie mai mare decât energia de suprafață a celulozei, iar experimentul demonstrează că energia de suprafață a celulozei testate și compoziția acesteia. Datele sunt în concordanță cu literatura de specialitate.

Cuvinte cheie: eteri de celuloză neionici; substituenți și grade de substituție; greutate moleculară; proprietățile suprafeței; tehnologia fitilului

Eterul de celuloză este o categorie mare de derivați de celuloză, care pot fi împărțiți în eteri anionici, cationici și neionici în funcție de structura chimică a substituenților lor eterici. Eterul de celuloză este, de asemenea, unul dintre cele mai vechi produse cercetate și produse în chimia polimerilor. Până acum, eterul de celuloză a fost utilizat pe scară largă în medicină, igienă, cosmetică și industria alimentară.

Deși eteri de celuloză, cum ar fi hidroximetilceluloza, hidroxipropilceluloza și hidroxipropilmetilceluloza, au fost produși industrial și multe dintre proprietățile lor au fost studiate, energia lor de suprafață, proprietățile reactive cu acid alcalin nu au fost raportate până acum. Deoarece majoritatea acestor produse sunt utilizate într-un mediu lichid, iar caracteristicile suprafeței, în special caracteristicile reacției acido-bazice, pot afecta utilizarea lor, este foarte necesar să se studieze și să se înțeleagă caracteristicile chimice de suprafață ale acestui eter de celuloză comercial.

Având în vedere că probele de derivați de celuloză sunt foarte ușor de schimbat odată cu schimbarea condițiilor de preparare, această lucrare folosește produse comerciale ca probe pentru a le caracteriza energia de suprafață, iar pe baza acesteia, influența substituenților și greutăților moleculare ale acestor produse asupra suprafeței. se studiază proprietățile.

1. Partea experimentală

1.1 Materii prime

Eterul de celuloză neionic utilizat în experiment este produsulKIMA CHEMICAL CO.,LTD,. Probele nu au fost supuse niciunui tratament înainte de testare.

Având în vedere că derivații de celuloză sunt fabricați din celuloză, cele două structuri sunt apropiate, iar proprietățile de suprafață ale celulozei au fost raportate în literatura de specialitate, astfel că această lucrare folosește celuloza ca probă standard. Eșantionul de celuloză folosit a fost numit de cod C8002 și a fost achiziționat de laKIMA, CN. Proba nu a fost supusă niciunui tratament în timpul testului.

Reactivii utilizați în experiment sunt: ​​etan, diiodometan, apă deionizată, formamidă, toluen, cloroform. Toate lichidele au fost produse pure din punct de vedere analitic, cu excepția apei care era disponibilă comercial.

1.2 Metoda experimentală

În acest experiment, a fost adoptată tehnica de absorbție a coloanei și a fost tăiată o secțiune (aproximativ 10 cm) dintr-o pipetă standard cu un diametru interior de 3 mm ca tub de coloană. Pune 200 mg de probă sub formă de pulbere în tubul de coloană de fiecare dată, apoi agită-l pentru a se uniformiza și așează-l vertical pe fundul recipientului de sticlă cu un diametru interior de aproximativ 3 cm, astfel încât lichidul să poată fi adsorbit spontan. Se cântărește 1 ml de lichid de testat și se pune într-un recipient de sticlă și se înregistrează timpul de imersie t și distanța de imersie X în același timp. Toate experimentele au fost efectuate la temperatura camerei (25±1°C). Fiecare dată este media a trei experimente repetate.

1.3 Calculul datelor experimentale

Baza teoretică pentru aplicarea tehnicii de absorbție a coloanei pentru a testa energia de suprafață a materialelor pulbere este ecuația de impregnare Washburn (ecuația de penetrare Washburn).

1.3.1 Determinarea razei efective capilare Reff a probei măsurate

La aplicarea formulei de imersie Washburn, condiția pentru a obține umezirea completă este cos=1. Aceasta înseamnă că atunci când un lichid este selectat pentru a se scufunda într-un solid pentru a obține o condiție complet umedă, putem calcula raza efectivă capilară Reff a probei măsurate testând distanța și timpul de imersie conform unui caz special al formulei de imersie Washburn.

1.3.2 Calculul forței Lifshitz-van der Waals pentru proba măsurată

Conform regulilor de combinare ale lui van Oss-Chaudhury-Good, relația dintre reacțiile dintre lichide și solide.

1.3.3 Calculul forței acido-bazice Lewis a probelor măsurate

În general, proprietățile acido-bazice ale solidelor sunt estimate din datele impregnate cu apă și formamidă. Dar în acest articol, am constatat că nu există nicio problemă atunci când folosim această pereche de lichide polare pentru măsurarea celulozei, ci în testul eterului de celuloză, deoarece înălțimea de imersie a sistemului de soluție polară de apă/formamidă în eterul de celuloză este prea mică. , ceea ce face foarte dificilă înregistrarea timpului. Prin urmare, a fost selectat sistemul de soluție toluen/cloroform introdus de Chibowsk. Potrivit lui Chibowski, un sistem de soluție polară toluen/cloroform este, de asemenea, o opțiune. Acest lucru se datorează faptului că aceste două lichide au o aciditate și o alcalinitate foarte speciale, de exemplu, toluenul nu are aciditate Lewis, iar cloroformul nu are alcalinitate Lewis. Pentru a obține datele obținute de sistemul de soluție toluen/cloroform mai aproape de sistemul de soluție polară recomandat de apă/formamidă, folosim aceste două sisteme lichide polare pentru a testa celuloza în același timp și apoi obținem coeficienții de dilatare sau contracție corespunzători. înainte de aplicare Datele obţinute prin impregnarea eterului de celuloză cu toluen/cloroform sunt apropiate de concluziile obţinute pentru sistemul apă/formamidă. Deoarece eterii de celuloză sunt derivați din celuloză și există o structură foarte asemănătoare între cei doi, această metodă de estimare poate fi valabilă.

1.3.4 Calculul energiei libere totale de suprafață

2. Rezultate și discuții

2.1 Standard de celuloză

Deoarece rezultatele testelor noastre pe probe standard de celuloză au constatat că aceste date sunt în acord cu cele raportate în literatură, este rezonabil să credem că rezultatele testelor pe eterii de celuloză ar trebui luate în considerare.

2.2 Rezultatele testelor și discuții despre eterul de celuloză

În timpul testului eterului de celuloză, este foarte dificil să se înregistreze distanța și timpul de imersare din cauza înălțimii foarte scăzute de imersie a apei și a formamidei. Prin urmare, această lucrare alege sistemul de soluție toluen/cloroform ca soluție alternativă și estimează aciditatea Lewis a eterului de celuloză pe baza rezultatelor testelor de apă/formamidă și toluen/cloroform pe celuloză și relația proporțională dintre cele două sisteme de soluție. si putere alcalina.

Luând celuloza ca probă standard, sunt date o serie de caracteristici acido-bazice ale eterului de celuloză. Deoarece rezultatul impregnării eterului de celuloză cu toluen/cloroform este testat direct, este convingător.

Aceasta înseamnă că tipul și greutatea moleculară a substituenților afectează proprietățile acido-bazice ale eterului de celuloză și relația dintre cei doi substituenți, hidroxipropil și hidroxipropilmetil, asupra proprietăților acido-bazice ale eterului de celuloză și greutatea moleculară complet opusă. Dar ar putea fi legat și de faptul că MP sunt substituenți amestecați.

Deoarece substituenții MO43 și K8913 sunt diferiți și au aceeași greutate moleculară, de exemplu, substituentul celui dintâi este hidroximetil și substituentul celui din urmă este hidroxipropil, dar greutatea moleculară a ambelor este de 100.000, deci înseamnă, de asemenea, că premisa de aceeași greutate moleculară În aceste condiții, S+ și S- ale grupării hidroximetil pot fi mai mici decât gruparea hidroxipropil. Dar și gradul de substituție este posibil, deoarece gradul de substituție al lui K8913 este de aproximativ 3,00, în timp ce cel al MO43 este de numai 1,90.

Deoarece gradul de substituție și substituenții K8913 și K9113 sunt același dar numai greutatea moleculară este diferită, comparația dintre cele două arată că S+ al hidroxipropil celulozei scade odată cu creșterea greutății moleculare, dar S- crește dimpotrivă. .

Din rezumatul rezultatelor testelor privind energia de suprafață a tuturor eterii de celuloză și a componentelor acestora, se poate observa că, indiferent dacă este celuloză sau eter de celuloză, componenta principală a energiei lor de suprafață este forța Lifshitz-van der Waals, ținând cont de aproximativ 98% ~ 99%. Mai mult, forțele Lifshitz-van der Waals ale acestor eteri de celuloză neionici (cu excepția MO43) sunt, de asemenea, în mare parte mai mari decât cele ale celulozei, ceea ce indică faptul că procesul de eterificare al celulozei este, de asemenea, un proces de creștere a forțelor Lifshitz-van der Waals. Și aceste creșteri duc la ca energia de suprafață a eterului de celuloză să fie mai mare decât cea a celulozei. Acest fenomen este foarte interesant deoarece acești eteri de celuloză sunt utilizați în mod obișnuit în producerea de surfactanți. Dar datele sunt de remarcat, nu numai pentru că datele despre eșantionul standard de referință testat în acest experiment sunt extrem de consistente cu valoarea raportată în literatură, datele despre eșantionul standard de referință sunt extrem de consecvente cu valoarea raportată în literatură, pt. exemplu: toate aceste celuloze SAB-ul eterilor este semnificativ mai mic decât cel al celulozei, iar acest lucru se datorează bazelor lor Lewis foarte mari. Sub premisa aceluiași substituent și grad de substituție, energia liberă de suprafață a hidroxipropil celulozei este proporțională cu greutatea moleculară; în timp ce energia liberă de suprafață a hidroxipropilmetilcelulozei este proporțională cu gradul de substituție și invers proporțională cu greutatea moleculară.

În plus, deoarece eterii de celuloză au SLW mai mare decât celuloza, dar știm deja că dispersibilitatea lor este mai bună decât celuloza, astfel încât se poate considera preliminar că componenta principală a SLW care constituie eterii de celuloză neionici ar trebui să fie forța de la Londra.

3. Concluzie

Studiile au arătat că tipul de substituent, gradul de substituție și greutatea moleculară au o mare influență asupra energiei de suprafață și compoziției eterului de celuloză neionic. Și acest efect pare să aibă următoarea regularitate:

(1) S+ al eterului de celuloză neionic este mai mic decât S-.

(2) Energia de suprafață a eterului de celuloză neionic este dominată de forța Lifshitz-van der Waals.

(3) Greutatea moleculară și substituenții au un efect asupra energiei de suprafață a eterilor de celuloză neionici, dar depinde în principal de tipul de substituenți.

(4) Sub premisa aceluiași substituent și grad de substituție, energia liberă de suprafață a hidroxipropil celulozei este proporțională cu greutatea moleculară; în timp ce energia liberă de suprafață a hidroxipropilmetilcelulozei este proporțională cu gradul de substituție și invers proporțională cu greutatea moleculară.

(5) Procesul de eterificare a celulozei este un proces în care crește forța Lifshitz-van der Waals și este, de asemenea, un proces în care aciditatea Lewis scade și alcalinitatea Lewis crește.