Účinky substituentov a molekulovej hmotnosti na povrchové vlastnosti neiónového éteru celulózy

Podľa Washburnovej impregnačnej teórie (Penetration Theory) a van Oss-Good-Chaudhuryho kombinovanej teórie (Combining Theory) a aplikácie technológie stĺpcového knôtu (Column Wicking Technique), niekoľko neiónových éterov celulózy, ako je metylcelulóza Povrchové vlastnosti testovala sa celulóza, hydroxypropylcelulóza a hydroxypropylmetylcelulóza. V dôsledku rôznych substituentov, stupňov substitúcie a molekulových hmotností týchto éterov celulózy sú ich povrchové energie a ich zložky výrazne odlišné. Údaje ukazujú, že Lewisova báza neiónového éteru celulózy je väčšia ako Lewisova kyselina a hlavnou zložkou povrchovej voľnej energie je Lifshitz-van der Waalsova sila. Povrchová energia hydroxypropylu a jeho zloženie sú väčšie ako u hydroxymetylu. Za predpokladu rovnakého substituenta a stupňa substitúcie je voľná povrchová energia hydroxypropylcelulózy úmerná molekulovej hmotnosti; zatiaľ čo voľná povrchová energia hydroxypropylmetylcelulózy je úmerná stupňu substitúcie a nepriamo úmerná molekulovej hmotnosti. Experiment tiež zistil, že povrchová energia substituentu hydroxypropyl a hydroxypropylmetyl v neiónovom éteri celulózy sa zdá byť väčšia ako povrchová energia celulózy a experiment dokazuje, že povrchová energia testovanej celulózy a jej zloženie. v súlade s literatúrou.

kľúčové slová: neiónové étery celulózy; substituenty a stupne substitúcie; molekulová hmotnosť; vlastnosti povrchu; technológia knôtu

Éter celulózy je veľká kategória derivátov celulózy, ktoré možno rozdeliť na aniónové, katiónové a neiónové étery podľa chemickej štruktúry ich éterových substituentov. Éter celulózy je tiež jedným z prvých produktov skúmaných a vyrábaných v chémii polymérov. Doteraz sa éter celulózy široko používa v medicíne, hygiene, kozmetike a potravinárstve.

Hoci étery celulózy, ako je hydroxymetylcelulóza, hydroxypropylcelulóza a hydroxypropylmetylcelulóza, boli vyrábané priemyselne a mnohé z ich vlastností boli študované, ich povrchová energia, vlastnosti reagujúce s kyselinami a zásadami neboli doteraz opísané. Pretože väčšina týchto produktov sa používa v kvapalnom prostredí a povrchové charakteristiky, najmä acidobázická reakcia, pravdepodobne ovplyvnia ich použitie, je veľmi potrebné študovať a pochopiť povrchové chemické vlastnosti tohto komerčného celulózového éteru.

Vzhľadom na to, že vzorky derivátov celulózy sa pri zmene podmienok prípravy veľmi ľahko menia, táto práca využíva komerčné produkty ako vzorky na charakterizáciu ich povrchovej energie, a na základe toho vplyv substituentov a molekulových hmotností takýchto produktov na povrch vlastnosti sa študujú.

1. Experimentálna časť

1.1 Suroviny

Neiónový éter celulózy použitý v experimente je produktomKIMA CHEMICAL CO.,LTD,. Vzorky neboli pred testovaním podrobené žiadnej úprave.

Vzhľadom na to, že deriváty celulózy sú vyrobené z celulózy, tieto dve štruktúry sú si blízke a povrchové vlastnosti celulózy boli uvedené v literatúre, takže tento článok používa celulózu ako štandardnú vzorku. Použitá vzorka celulózy mala kódové označenie C8002 a bola zakúpená odKIMA, CN. Vzorka nebola počas testu podrobená žiadnej úprave.

Činidlá použité v experimente sú: etán, dijódmetán, deionizovaná voda, formamid, toluén, chloroform. Všetky kvapaliny boli analyticky čisté produkty okrem vody, ktorá bola komerčne dostupná.

1.2 Experimentálna metóda

V tomto experimente bola použitá technika nasávania z kolóny a časť (asi 10 cm) štandardnej pipety s vnútorným priemerom 3 mm bola odrezaná ako rúrka kolóny. Do skúmavky kolóny vložte vždy 200 mg práškovej vzorky, potom ju pretrepte, aby bola rovnomerná a umiestnite ju vertikálne na dno sklenenej nádoby s vnútorným priemerom asi 3 cm, aby sa kvapalina mohla spontánne adsorbovať. Odvážte 1 ml testovanej kvapaliny a vložte ju do sklenenej nádoby a súčasne zaznamenajte čas ponorenia t a vzdialenosť ponorenia X. Všetky experimenty sa uskutočnili pri teplote miestnosti (25±1°C). Každý údaj je priemerom troch opakovaných experimentov.

1.3 Výpočet experimentálnych údajov

Teoretickým základom pre aplikáciu techniky stĺpcového vzlínania na testovanie povrchovej energie práškových materiálov je rovnica impregnácie Washburn (rovnica penetrácie Washburn).

1.3.1 Stanovenie kapilárneho efektívneho polomeru Reff meranej vzorky

Pri aplikácii receptúry na ponorenie Washburn je podmienkou dosiahnutia úplného zvlhčenia cos=1. To znamená, že keď sa vyberie kvapalina na ponorenie do pevnej látky, aby sa dosiahol úplne vlhký stav, môžeme vypočítať kapilárny efektívny polomer Reff meranej vzorky testovaním vzdialenosti a času ponorenia podľa špeciálneho prípadu vzorca na ponorenie Washburn.

1.3.2 Výpočet sily Lifshitz-van der Waals pre meranú vzorku

Podľa pravidiel kombinovania van Oss-Chaudhury-Good je vzťah medzi reakciami medzi kvapalinami a pevnými látkami.

1.3.3 Výpočet Lewisovej acidobázickej sily meraných vzoriek

Vo všeobecnosti sa acidobázické vlastnosti pevných látok odhadujú z údajov impregnovaných vodou a formamidom. Ale v tomto článku sme zistili, že pri použití tohto páru polárnych kvapalín na meranie celulózy nie je problém, ale v teste éteru celulózy, pretože výška ponorenia systému polárneho roztoku voda/formamid v éteri celulózy je príliš nízka. , čo veľmi sťažuje zaznamenávanie času. Preto bol zvolený systém toluén/chloroform zavedený Chibowskom. Podľa Chibowského je možnosťou aj polárny roztokový systém toluén/chloroform. Je to preto, že tieto dve kvapaliny majú veľmi špeciálnu kyslosť a zásaditosť, napríklad toluén nemá Lewisovu kyslosť a chloroform nemá Lewisovu zásaditosť. Aby sme údaje získané systémom toluén/chloroform dostali bližšie k odporúčanému systému polárneho roztoku voda/formamid, používame tieto dva systémy polárnych kvapalín na testovanie celulózy súčasne a potom získame zodpovedajúce koeficienty expanzie alebo kontrakcie. pred aplikáciou Údaje získané impregnáciou éteru celulózy toluénom/chloroformom sú blízke záverom získaným pre systém voda/formamid. Keďže celulózové étery sú odvodené z celulózy a medzi nimi je veľmi podobná štruktúra, táto metóda odhadu môže byť platná.

1.3.4 Výpočet celkovej povrchovej voľnej energie

2. Výsledky a diskusia

2.1 Celulózový štandard

Keďže výsledky našich testov na štandardných vzorkách celulózy zistili, že tieto údaje sú v dobrej zhode s údajmi uvedenými v literatúre, je rozumné sa domnievať, že by sa mali vziať do úvahy aj výsledky testov na éteroch celulózy.

2.2 Výsledky testov a diskusia o étere celulózy

Počas testu éteru celulózy je veľmi ťažké zaznamenať vzdialenosť a čas ponorenia kvôli veľmi nízkej výške ponorenia vody a formamidu. Preto tento článok vyberá systém toluén/chloroform roztok ako alternatívne riešenie a odhaduje Lewisovu kyslosť éteru celulózy na základe výsledkov testov vody/formamidu a toluénu/chloroformu na celulóze a proporcionálneho vzťahu medzi týmito dvoma systémami roztokov. a alkalický výkon.

Pri použití celulózy ako štandardnej vzorky je uvedený rad acidobázických charakteristík éterov celulózy. Keďže výsledok impregnácie éteru celulózy toluénom/chloroformom je priamo testovaný, je presvedčivý.

To znamená, že typ a molekulová hmotnosť substituentov ovplyvňujú acidobázické vlastnosti éteru celulózy a vzťah medzi dvoma substituentmi, hydroxypropylom a hydroxypropylmetylom, na acidobázické vlastnosti éteru celulózy a molekulovú hmotnosť úplne opačný. Môže to však súvisieť aj so skutočnosťou, že MP sú zmiešané substituenty.

Pretože substituenty MO43 a K8913 sú rôzne a majú rovnakú molekulovú hmotnosť, napríklad substituent prvého je hydroxymetyl a substituent druhého je hydroxypropyl, ale molekulová hmotnosť oboch je 100 000, takže to tiež znamená, že predpoklad rovnakej molekulovej hmotnosti Za týchto okolností môžu byť S+ a S- hydroxymetylovej skupiny menšie ako hydroxypropylová skupina. Stupeň substitúcie je však tiež možný, pretože stupeň substitúcie K8913 je asi 3,00, zatiaľ čo stupeň substitúcie MO43 je len 1,90.

Pretože stupeň substitúcie a substituenty K8913 a K9113 sú rovnaké, ale odlišná je iba molekulová hmotnosť, porovnanie týchto dvoch ukazuje, že S+ hydroxypropylcelulózy klesá so zvyšujúcou sa molekulovou hmotnosťou, ale S- sa naopak zvyšuje. .

Zo súhrnu výsledkov testov povrchovej energie všetkých éterov celulózy a ich zložiek je zrejmé, že či už ide o celulózu alebo éter celulózy, hlavnou zložkou ich povrchovej energie je Lifshitz-van der Waalsova sila, ktorá predstavuje asi 98 % až 99 %. Okrem toho sú sily Lifshitz-van der Waals týchto neiónových éterov celulózy (okrem MO43) tiež väčšinou väčšie ako sily celulózy, čo naznačuje, že proces éterizácie celulózy je tiež procesom zvyšovania síl Lifshitz-van der Waals. A tieto zvýšenia vedú k tomu, že povrchová energia éteru celulózy je väčšia ako energia celulózy. Tento jav je veľmi zaujímavý, pretože tieto étery celulózy sa bežne používajú pri výrobe povrchovo aktívnych látok. Údaje sú však pozoruhodné nielen preto, že údaje o referenčnej štandardnej vzorke testovanej v tomto experimente sú mimoriadne konzistentné s hodnotou uvádzanou v literatúre, údaje o referenčnej štandardnej vzorke sú mimoriadne konzistentné s hodnotou uvádzanou v literatúre, napr. príklad: všetky tieto celulózy SAB éterov je podstatne menšia ako celulóza, a to kvôli ich veľmi veľkým Lewisovým bázam. Za predpokladu rovnakého substituenta a stupňa substitúcie je voľná povrchová energia hydroxypropylcelulózy úmerná molekulovej hmotnosti; zatiaľ čo voľná povrchová energia hydroxypropylmetylcelulózy je úmerná stupňu substitúcie a nepriamo úmerná molekulovej hmotnosti.

Okrem toho, pretože étery celulózy majú väčšiu SLW ako celulóza, ale už vieme, že ich disperzibilita je lepšia ako celulóza, možno predbežne uvažovať, že hlavnou zložkou SLW tvoriacej neiónové étery celulózy by mala byť londýnska sila.

3. Záver

Štúdie ukázali, že typ substituentu, stupeň substitúcie a molekulová hmotnosť majú veľký vplyv na povrchovú energiu a zloženie neiónového éteru celulózy. A zdá sa, že tento efekt má nasledujúcu pravidelnosť:

(1) S+ neiónového éteru celulózy je menší ako S-.

(2) Povrchovej energii neiónového éteru celulózy dominuje Lifshitz-van der Waalsova sila.

(3) Molekulová hmotnosť a substituenty majú vplyv na povrchovú energiu neiónových éterov celulózy, ale závisí najmä od typu substituentov.

(4) Za predpokladu rovnakého substituenta a stupňa substitúcie je voľná povrchová energia hydroxypropylcelulózy úmerná molekulovej hmotnosti; zatiaľ čo voľná povrchová energia hydroxypropylmetylcelulózy je úmerná stupňu substitúcie a nepriamo úmerná molekulovej hmotnosti.

(5) Éterifikačný proces celulózy je proces, pri ktorom sa zvyšuje Lifshitz-van der Waalsova sila, a je to tiež proces, pri ktorom Lewisova kyslosť klesá a Lewisova zásaditosť stúpa.