Aký je vzťah medzi DS a molekulovou hmotnosťou sodíka CMC

Sodná soľ karboxymetylcelulózy (CMC) je všestranný vo vode rozpustný polymér odvodený od celulózy, prirodzene sa vyskytujúceho polysacharidu nachádzajúceho sa v stenách rastlinných buniek. Vďaka svojim jedinečným vlastnostiam a funkciám je široko používaný v rôznych priemyselných odvetviach vrátane potravinárstva, farmácie, kozmetiky, textilu a ropných vrtov.

Štruktúra a vlastnosti sodnej CMC:

CMC sa syntetizuje chemickou modifikáciou celulózy, kde sa karboxymetylové skupiny (-CH2-COOH) zavedú na hlavný reťazec celulózy prostredníctvom eterifikačných alebo esterifikačných reakcií. Stupeň substitúcie (DS) sa týka priemerného počtu karboxymetylových skupín na jednotku glukózy v celulózovom reťazci. Hodnoty DS sa typicky pohybujú od 0,2 do 1,5 v závislosti od podmienok syntézy a požadovaných vlastností CMC.

Molekulová hmotnosť CMC sa vzťahuje na priemernú veľkosť polymérnych reťazcov a môže sa výrazne meniť v závislosti od faktorov, ako je zdroj celulózy, spôsob syntézy, reakčné podmienky a purifikačné techniky. Molekulová hmotnosť je často charakterizovaná parametrami, ako je číselná priemerná molekulová hmotnosť (Mn), hmotnostne priemerná molekulová hmotnosť (Mw) a viskozitná priemerná molekulová hmotnosť (Mv).

Syntéza sodíka CMC:

Syntéza CMC typicky zahŕňa reakciu celulózy s hydroxidom sodným (NaOH) a kyselinou chlóroctovou (ClCH2COOH) alebo jej sodnou soľou (NaClCH2COOH). Reakcia prebieha cez nukleofilnú substitúciu, kde hydroxylové skupiny (-OH) na kostre celulózy reagujú s chlóracetylovými skupinami (-ClCH2COOH) za vzniku karboxymetylových skupín (-CH2-COOH).

DS CMC možno kontrolovať úpravou molárneho pomeru kyseliny chlóroctovej k celulóze, reakčného času, teploty, pH a ďalších parametrov počas syntézy. Vyššie hodnoty DS sa typicky dosahujú s vyššími koncentráciami kyseliny chlóroctovej a dlhšími reakčnými časmi.

Molekulová hmotnosť CMC je ovplyvnená rôznymi faktormi, vrátane distribúcie molekulovej hmotnosti východiskového celulózového materiálu, rozsahu degradácie počas syntézy a stupňa polymerizácie CMC reťazcov. Rôzne spôsoby syntézy a reakčné podmienky môžu viesť k CMC s rôznymi distribúciami molekulových hmotností a priemernými veľkosťami.

Vzťah medzi DS a molekulovou hmotnosťou:

Vzťah medzi stupňom substitúcie (DS) a molekulovou hmotnosťou sodnej soli karboxymetylcelulózy (CMC) je zložitý a ovplyvnený viacerými faktormi súvisiacimi so syntézou, štruktúrou a vlastnosťami CMC.

1. Vplyv DS na molekulovú hmotnosť:
   • Vyššie hodnoty DS vo všeobecnosti zodpovedajú nižším molekulovým hmotnostiam CMC. Je to preto, že vyššie hodnoty DS naznačujú vyšší stupeň substitúcie karboxymetylových skupín na celulózovom hlavnom reťazci, čo vedie ku kratším polymérnym reťazcom a nižším molekulovým hmotnostiam v priemere.
   • Zavedenie karboxymetylových skupín narušuje medzimolekulové vodíkové väzby medzi celulózovými reťazcami, čo vedie k štiepeniu a fragmentácii reťazca počas syntézy. Tento degradačný proces môže viesť k zníženiu molekulovej hmotnosti CMC, najmä pri vyšších hodnotách DS a rozsiahlejších reakciách.
   • Naopak, nižšie hodnoty DS sú v priemere spojené s dlhšími polymérnymi reťazcami a vyššími molekulovými hmotnosťami. Je to preto, že nižšie stupne substitúcie vedú k menšiemu počtu karboxymetylových skupín na jednotku glukózy, čo umožňuje, aby dlhšie segmenty nemodifikovaných celulózových reťazcov zostali nedotknuté.
2. Vplyv molekulovej hmotnosti na DS:
   • Molekulová hmotnosť CMC môže ovplyvniť stupeň substitúcie dosiahnutý počas syntézy. Vyššie molekulové hmotnosti celulózy môžu poskytnúť reaktívnejšie miesta pre karboxymetylačné reakcie, čo umožňuje za určitých podmienok dosiahnuť vyšší stupeň substitúcie.
   • Avšak príliš vysoké molekulové hmotnosti celulózy môžu tiež brániť dostupnosti hydroxylových skupín pre substitučné reakcie, čo vedie k neúplnej alebo neefektívnej karboxymetylácii a nižším hodnotám DS.
   • Okrem toho distribúcia molekulárnej hmotnosti východiskového celulózového materiálu môže ovplyvniť distribúciu hodnôt DS vo výslednom CMC produkte. Heterogenity v molekulovej hmotnosti môžu viesť k zmenám v reaktivite a substitučnej účinnosti počas syntézy, čo vedie k širšiemu rozsahu hodnôt DS v konečnom produkte CMC.

Vplyv DS a molekulovej hmotnosti na vlastnosti a aplikácie CMC:

1. Reologické vlastnosti:
   • Stupeň substitúcie (DS) a molekulová hmotnosť CMC môžu ovplyvniť jej reologické vlastnosti, vrátane viskozity, strihového riedenia a tvorby gélu.
   • Vyššie hodnoty DS vo všeobecnosti vedú k nižším viskozitám a viac pseudoplastickému (strihovému stenčeniu) správaniu v dôsledku kratších polymérnych reťazcov a zníženého zapletenia molekúl.
   • Naopak, nižšie hodnoty DS a vyššie molekulové hmotnosti majú tendenciu zvyšovať viskozitu a zvyšovať pseudoplastické správanie roztokov CMC, čo vedie k zlepšeným vlastnostiam zahusťovania a suspenzie.
2. Rozpustnosť vo vode a správanie pri napučiavaní:
   • CMC s vyššími hodnotami DS má tendenciu vykazovať väčšiu rozpustnosť vo vode a rýchlejšie rýchlosti hydratácie v dôsledku vyššej koncentrácie hydrofilných karboxymetylových skupín pozdĺž polymérnych reťazcov.
   • Avšak príliš vysoké hodnoty DS môžu tiež viesť k zníženej rozpustnosti vo vode a zvýšenej tvorbe gélu, najmä pri vysokých koncentráciách alebo v prítomnosti multivalentných katiónov.
   • Molekulová hmotnosť CMC môže ovplyvniť jej napučiavanie a vlastnosti zadržiavania vody. Vyššie molekulové hmotnosti majú vo všeobecnosti za následok pomalšie rýchlosti hydratácie a väčšiu kapacitu zadržiavania vody, čo môže byť výhodné v aplikáciách vyžadujúcich postupné uvoľňovanie alebo kontrolu vlhkosti.
3. Filmotvorné a bariérové ​​vlastnosti:
   • Filmy CMC vytvorené z roztokov alebo disperzií vykazujú bariérové ​​vlastnosti proti kyslíku, vlhkosti a iným plynom, vďaka čomu sú vhodné na balenie a poťahovanie.
   • DS a molekulová hmotnosť CMC môžu ovplyvniť mechanickú pevnosť, pružnosť a priepustnosť výsledných filmov. Vyššie hodnoty DS a nižšie molekulové hmotnosti môžu viesť k filmom s nižšou pevnosťou v ťahu a vyššou permeabilitou v dôsledku kratších polymérnych reťazcov a znížených medzimolekulových interakcií.
4. Aplikácia v rôznych odvetviach:
   • CMC s rôznymi hodnotami DS a molekulovými hmotnosťami nachádza uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach vrátane potravinárstva, farmácie, kozmetiky, textilu a ropných vrtov.
   • V potravinárskom priemysle sa CMC používa ako zahusťovadlo, stabilizátor a emulgátor vo výrobkoch, ako sú omáčky, dresingy a nápoje. Výber triedy CMC závisí od požadovanej textúry, pocitu v ústach a požiadaviek na stabilitu konečného produktu.
   • Vo farmaceutických formuláciách slúži CMC ako spojivo, dezintegračné činidlo a filmotvorné činidlo v tabletách, kapsulách a perorálnych suspenziách. DS a molekulová hmotnosť CMC môžu ovplyvniť kinetiku uvoľňovania liečiva, biologickú dostupnosť a komplianciu pacienta.
   • V kozmetickom priemysle sa CMC používa v krémoch, pleťových vodách a výrobkoch na starostlivosť o vlasy ako zahusťovadlo, stabilizátor a zvlhčovač. Výber triedy CMC závisí od faktorov, ako je textúra, roztierateľnosť a senzorické vlastnosti.
   • V priemysle ropných vrtov sa CMC používa vo vrtných kvapalinách ako viskozifikátor, činidlo na kontrolu straty tekutín a inhibítor bridlice. DS a molekulová hmotnosť CMC môžu ovplyvniť jej výkon pri udržiavaní stability vrtu, kontrole straty tekutín a inhibícii napučiavania hliny.

Záver:

Vzťah medzi stupňom substitúcie (DS) a molekulovou hmotnosťou sodnej soli karboxymetylcelulózy (CMC) je zložitý a ovplyvnený viacerými faktormi súvisiacimi so syntézou, štruktúrou a vlastnosťami CMC. Vyššie hodnoty DS vo všeobecnosti zodpovedajú nižším molekulovým hmotnostiam CMC, zatiaľ čo nižšie hodnoty DS a vyššie molekulové hmotnosti vedú v priemere k dlhším polymérnym reťazcom a vyšším molekulovým hmotnostiam. Pochopenie tohto vzťahu je kľúčové pre optimalizáciu vlastností a výkonu CMC v rôznych aplikáciách naprieč odvetviami, vrátane potravín, farmácie, kozmetiky, textilu a ropných vrtov. Na objasnenie základných mechanizmov a optimalizáciu syntézy a charakterizácie CMC s prispôsobeným DS a distribúciou molekulovej hmotnosti pre špecifické aplikácie je potrebné ďalšie úsilie v oblasti výskumu a vývoja.