Proprietățile soluției cationice de eter de celuloză

Proprietățile soluției diluate ale unui eter de celuloză cationic cu densitate mare de încărcare (KG-30M) la diferite valori ale pH-ului au fost studiate cu un instrument de împrăștiere cu laser, din raza hidrodinamică (Rh) la unghiuri diferite și razele pătrate medii de rotație. Rg Raportul față de Rh deduce că forma sa este neregulată, dar aproape de sferică. Apoi, cu ajutorul reometrului, s-au studiat în detaliu trei soluții concentrate de eteri de celuloză cationici cu densități de sarcină diferite și s-a discutat influența concentrației, valorii pH-ului și a densității de sarcină proprie asupra proprietăților sale reologice. Pe măsură ce concentrația a crescut, exponentul lui Newton a scăzut mai întâi și apoi a scăzut. Apare fluctuația sau chiar rebound, iar comportamentul tixotrop are loc la 3% (fracție de masă). O densitate moderată de încărcare este benefică pentru a obține o vâscozitate mai mare de forfecare zero, iar pH-ul are un efect redus asupra vâscozității sale.

Cuvinte cheie:eter de celuloză cationic; morfologie; vâscozitate la forfecare zero; reologie

Derivații de celuloză și polimerii lor funcționali modificați au fost utilizați pe scară largă în domeniile produselor fiziologice și sanitare, petrochimice, medicamente, alimente, produse de îngrijire personală, ambalaje etc. capacitatea, este utilizat pe scară largă în substanțele chimice zilnice, în special în șampoane, și poate îmbunătăți pieptănabilitatea părului după șamponare. În același timp, datorită compatibilității sale, poate fi folosit în șampoane două în unu și all-in-one. De asemenea, are o bună perspectivă de aplicare și a atras atenția diferitelor țări. S-a raportat în literatură că soluțiile de derivați de celuloză prezintă comportamente precum fluidul newtonian, fluidul pseudoplastic, fluidul tixotrop și fluidul vâscoelastic odată cu creșterea concentrației, dar morfologia, reologia și factorii de influență ai eterului de celuloză cationic în soluție apoasă sunt puțini. rapoarte de cercetare. Această lucrare se concentrează pe comportamentul reologic al soluției apoase de celuloză modificată cu amoniu cuaternar, pentru a oferi o referință pentru aplicarea practică.

1. Partea experimentală

1.1 Materii prime

Eter de celuloză cationic (KG-30M, JR-30M, LR-30M); Produs Canada Dow Chemical Company, furnizat de Procter & Gamble Company Kobe R&D Center din Japonia, măsurat de analizorul elementar Vario EL (German Elemental Company), eșantionul Conținutul de azot este de 2,7%, 1,8%, respectiv 1,0% (densitatea de încărcare este 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, respectiv 0,7 Meq/g) și este testat de către instrumentul german de difuzie a luminii laser ALV-5000E (LLS) a măsurat greutatea moleculară medie a acesteia este de aproximativ 1,64×106 g/mol.

1.2 Prepararea soluției

Proba a fost purificată prin filtrare, dializă și liofilizare. Se cântărește o serie de trei probe cantitative, respectiv și se adaugă soluție tampon standard cu pH 4,00, 6,86, 9,18 pentru a pregăti concentrația necesară. Pentru a se asigura că probele au fost complet dizolvate, toate soluțiile de probe au fost plasate pe un agitator magnetic timp de 48 de ore înainte de testare.

1.3 Măsurarea împrăștierii luminii

Utilizați LLS pentru a măsura greutatea moleculară medie a probei în soluție apoasă diluată, raza hidrodinamică și raza pătrată medie de rotație atunci când al doilea coeficient Villi și unghiuri diferite, și deduceți că acest eter de celuloză cationic este în soluția apoasă prin statutul său raport.

1.4 Măsurarea vâscozității și investigația reologică

Soluția concentrată de CCE a fost studiată de reometrul Brookfield RVDV-III+ și a fost investigată influența concentrației, a densității de încărcare și a valorii pH-ului asupra proprietăților reologice, cum ar fi vâscozitatea probei. La concentrații mai mari, este necesar să se investigheze tixotropia acestuia.

2. Rezultate și discuții

2.1 Cercetări privind împrăștierea luminii

Datorită structurii sale moleculare deosebite, este dificil să existe sub forma unei singure molecule chiar și într-un solvent bun, dar sub forma anumitor micelii, clustere sau asociații stabile.

Când soluția apoasă diluată (~o,1%) de CCE a fost observată cu un microscop polarizant, sub fundalul câmpului ortogonal cu cruce neagră, au apărut pete luminoase „stea” și bare luminoase. Se caracterizează în continuare prin împrăștierea luminii, raza hidrodinamică dinamică la diferite pH și unghiuri, raza pătrată medie de rotație și al doilea coeficient Villi obținut din diagrama Berry sunt enumerate în Tab. 1. Graficul de distribuție a funcției de rază hidrodinamică obținută la o concentrație de 10-5 este în principal un singur vârf, dar distribuția este foarte largă (Fig. 1), indicând faptul că există asociații la nivel molecular și agregate mari în sistem ; Există modificări, iar valorile Rg/Rb sunt în jur de 0,775, ceea ce indică faptul că forma CCE în soluție este aproape sferică, dar nu suficient de regulată. Efectul pH-ului asupra Rb și Rg nu este evident. Contraionul din soluția tampon interacționează cu CCE pentru a proteja sarcina de pe lanțul său lateral și a o face să se micșoreze, dar diferența variază în funcție de tipul de contraion. Măsurarea împrăștierii luminii a polimerilor încărcați este susceptibilă la interacțiunea forței pe distanță lungă și la interferențe externe, deci există anumite erori și limitări în caracterizarea LLS. Când fracția de masă este mai mare de 0,02%, în diagrama de distribuție Rh există în mare parte vârfuri duble inseparabile sau chiar vârfuri multiple. Pe măsură ce concentrația crește, și Rh crește, indicând faptul că mai multe macromolecule sunt asociate sau chiar agregate. Când Cao și colab. a folosit împrăștierea luminii pentru a studia copolimerul carboximetil celulozei și macromerii activi de suprafață, au existat și vârfuri duble inseparabile, dintre care unul era între 30 nm și 100 nm, reprezentând formarea micelilor la nivel molecular, iar celălalt Picul Rh este relativ mare, care este considerat a fi un agregat, care este similar cu rezultatele determinate în această lucrare.

2.2 Cercetări privind comportamentul reologic

2.2.1 Efectul concentrării:Măsurați vâscozitatea aparentă a soluțiilor KG-30M cu diferite concentrații la diferite viteze de forfecare și conform formei logaritmice a ecuației legii puterii propusă de Ostwald-Dewaele, când fracția de masă nu depășește 0,7% și o serie de linii drepte. cu coeficienți de corelație liniară mai mari de 0,99 s-au obținut. Și pe măsură ce concentrația crește, valoarea exponentului lui Newton n scade (toate mai puțin de 1), arătând un fluid pseudoplastic evident. Acționate de forța de forfecare, lanțurile macromoleculare încep să se descurce și să se orienteze, astfel încât vâscozitatea scade. Când fracția de masă este mai mare de 0,7%, coeficientul de corelație liniară al dreptei obținute scade (aproximativ 0,98), iar n începe să fluctueze sau chiar să crească odată cu creșterea concentrației; când fracția de masă atinge 3% (Fig. 2), tabelul Vâscozitatea aparentă crește mai întâi și apoi scade odată cu creșterea vitezei de forfecare. Această serie de fenomene este diferită de rapoartele altor soluții de polimeri anionici și cationici. Valoarea n crește, adică proprietatea non-newtoniană este slăbită; Fluidul newtonian este un lichid vâscos, iar alunecarea intermoleculară are loc sub acțiunea tensiunii de forfecare și nu poate fi recuperată; Fluidul non-newtonian conține o parte elastică recuperabilă și o parte vâscoasă irecuperabilă. Sub acțiunea tensiunii de forfecare se produce alunecarea ireversibilă între molecule și, în același timp, deoarece macromoleculele sunt întinse și orientate cu forfecarea, se formează o parte elastică recuperabilă. Când forța externă este îndepărtată, macromoleculele tind să revină la forma ondulată inițială, astfel încât valoarea lui n crește. Concentrarea continuă să crească pentru a forma o structură de rețea. Când efortul de forfecare este mic, acesta nu va fi distrus și va avea loc doar deformarea elastică. În acest moment, elasticitatea va fi relativ îmbunătățită, vâscozitatea va fi slăbită, iar valoarea lui n va scădea; în timp ce efortul de forfecare crește treptat în timpul procesului de măsurare, deci n Valoarea fluctuează. Când fracția de masă ajunge la 3%, vâscozitatea aparentă crește mai întâi și apoi scade, deoarece forfecarea mică favorizează ciocnirea macromoleculelor pentru a forma agregate mari, astfel încât vâscozitatea crește, iar tensiunea de forfecare continuă să rupă agregatele. , vascozitatea va scadea din nou.

În investigarea tixotropiei, setați viteza (r/min) pentru a ajunge la y dorit, creșteți viteza la intervale regulate până când atinge valoarea setată și apoi coborâți rapid de la viteza maximă înapoi la valoarea inițială pentru a obține valoarea corespunzătoare. Tensiunea de forfecare, relația sa cu viteza de forfecare este prezentată în Fig. 3. Când fracția de masă este mai mică de 2,5%, curba ascendentă și curba descendentă se suprapun complet, dar când fracția de masă este de 3%, cele două linii nu suprapunere mai lungă, iar linia în jos rămâne în urmă, indicând tixotropie.

Dependența de timp a tensiunii de forfecare este cunoscută sub numele de rezistență reologică. Rezistenta reologica este un comportament caracteristic lichidelor vascoelastice si lichidelor cu structuri tixotrope. Se constată că cu cât y mai mare este la aceeași fracție de masă, cu atât r ajunge mai repede la echilibru, iar dependența de timp este mai mică; la o fracție de masă mai mică (<2%), CCE nu prezintă rezistență reologică. Când fracția de masă crește la 2,5%, ea prezintă o dependență puternică de timp (Fig. 4) și este nevoie de aproximativ 10 minute pentru a ajunge la echilibru, în timp ce la 3,0%, timpul de echilibru durează 50 de minute. Buna tixotropie a sistemului conduce la aplicarea practică.

2.2.2 Efectul densității de sarcină:este selectată forma logaritmică a formulei empirice Spencer-Dillon, în care vâscozitatea zero-cut, b este constantă la aceeași concentrație și temperatură diferită și crește odată cu creșterea concentrației la aceeași temperatură. Conform ecuației legii puterii adoptată de Onogi în 1966, M este masa moleculară relativă a polimerului, A și B sunt constante, iar c este fracția de masă (%). Smochin．5 Cele trei curbe au puncte de inflexiune evidente în jurul a 0,6%, adică există o fracție de masă critică. Mai mult de 0,6%, vâscozitatea de forfecare zero crește rapid odată cu creșterea concentrației C. Curbele celor trei probe cu densități de sarcină diferite sunt foarte apropiate. În schimb, atunci când fracția de masă este între 0,2% și 0,8%, vâscozitatea zero-cut a probei LR cu cea mai mică densitate de sarcină este cea mai mare, deoarece asocierea legăturii de hidrogen necesită un anumit contact. Prin urmare, densitatea de sarcină este strâns legată de faptul dacă macromoleculele pot fi aranjate într-o manieră ordonată și compactă; prin testarea DSC, se constată că LR are un vârf de cristalizare slab, indicând o densitate de încărcare adecvată, iar vâscozitatea de forfecare zero este mai mare la aceeași concentrație. Când fracția de masă este mai mică de 0,2%, LR este cea mai mică, deoarece în soluție diluată, macromoleculele cu densitate scăzută de sarcină au mai multe șanse să formeze orientare a bobinei, astfel încât vâscozitatea cu forfecare zero este scăzută. Aceasta are o bună semnificație de ghidare în ceea ce privește performanța de îngroșare.

2.2.3 Efectul pH: Fig. 6 este rezultatul măsurat la pH diferit în intervalul de la 0,05% la 2,5% fracție de masă. Există un punct de inflexiune în jurul valorii de 0,45%, dar cele trei curbe aproape se suprapun, indicând faptul că pH-ul nu are un efect evident asupra vâscozității la forfecare zero, care este destul de diferită de sensibilitatea eterului de celuloză anionic la pH.

3. Concluzie

Soluția apoasă diluată KG-30M este studiată prin LLS, iar distribuția razei hidrodinamice obținută este un singur vârf. Din dependența de unghi și raportul Rg/Rb, se poate deduce că forma sa este apropiată de sferică, dar nu suficient de regulată. Pentru soluțiile CCE cu trei densități de sarcină, vâscozitatea crește odată cu creșterea concentrației, dar numărul de vânătoare n al lui Newton scade mai întâi, apoi fluctuează și chiar crește; pH-ul are un efect redus asupra vâscozității, iar o densitate moderată de încărcare poate obține o vâscozitate mai mare.