Lastnosti raztopine kationskega celuloznega etra

Lastnosti razredčene raztopine kationskega celuloznega etra z visoko gostoto naboja (KG-30M) pri različnih vrednostih pH so preučevali z instrumentom za lasersko sipanje, iz hidrodinamičnega polmera (Rh) pod različnimi koti in povprečnega kvadratnega polmera vrtenja Rg Razmerje proti Rh nakazuje, da je njegova oblika nepravilna, a skoraj sferična. Nato smo s pomočjo reometra podrobno preučili tri koncentrirane raztopine kationskih celuloznih etrov z različnimi gostotami naboja ter obravnavali vpliv koncentracije, pH vrednosti in lastne gostote naboja na njegove reološke lastnosti. Z večanjem koncentracije se je Newtonov eksponent najprej zmanjšal, nato pa še zmanjšal. Pojavi se nihanje ali celo odboj, tiksotropno obnašanje pa se pojavi pri 3 % (masni delež). Zmerna gostota naboja je koristna za doseganje višje viskoznosti brez strižnih udarcev, pH pa ima majhen vpliv na njegovo viskoznost.

Ključne besede:kationski celulozni eter; morfologija; ničelna strižna viskoznost; reologija

Derivati ​​celuloze in njihovi modificirani funkcionalni polimeri se pogosto uporabljajo na področju fizioloških in sanitarnih izdelkov, petrokemičnih izdelkov, medicine, hrane, izdelkov za osebno nego, embalaže itd. Vodotopni kationski celulozni eter (CCE) je zaradi svojega močnega zgoščevanja sposobnost, se pogosto uporablja v dnevnih kemikalijah, zlasti v šamponih, in lahko izboljša razčesavanje las po šamponiranju. Hkrati se lahko zaradi dobre kompatibilnosti uporablja v šamponih dva v enem in vse v enem. Ima tudi dobre možnosti uporabe in je pritegnila pozornost različnih držav. V literaturi so poročali, da se raztopine celuloznih derivatov obnašajo, kot so newtonska tekočina, psevdoplastična tekočina, tiksotropna tekočina in viskoelastična tekočina s povečanjem koncentracije, vendar je morfologija, reologija in vplivni dejavniki kationskega celuloznega etra v vodni raztopini le malo. poročila o raziskavah. Ta dokument se osredotoča na reološko obnašanje vodne raztopine celuloze, modificirane s kvarternim amonijem, da bi zagotovil referenco za praktično uporabo.

1. Eksperimentalni del

1.1 Surovine

Kationski celulozni eter (KG-30M, JR-30M, LR-30M); Izdelek kanadskega podjetja Dow Chemical Company, ki ga je zagotovilo podjetje Procter & Gamble Company Kobe R&D Center na Japonskem, izmerjeno z elementarnim analizatorjem Vario EL (nemško podjetje Elemental Company), vzorec. Vsebnost dušika je 2,7 %, 1,8 %, 1,0 % (gostota naboja je 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, 0,7 Meq/g), preizkušen pa je bil z nemškim instrumentom za sipanje laserske svetlobe ALV-5000E (LLS), ki je izmeril njegovo povprečno molekulsko maso približno 1,64×106 g/mol.

1.2 Priprava raztopine

Vzorec smo očistili s filtracijo, dializo in liofilizacijo. Stehtajte serijo treh kvantitativnih vzorcev in dodajte standardno pufersko raztopino s pH 4,00, 6,86, 9,18, da pripravite zahtevano koncentracijo. Da bi zagotovili, da so bili vzorci popolnoma raztopljeni, smo vse raztopine vzorcev postavili na magnetno mešalo za 48 ur pred testiranjem.

1.3 Merjenje sipanja svetlobe

Uporabite LLS za merjenje povprečne mase molekulske mase vzorca v razredčeni vodni raztopini, hidrodinamični polmer in povprečni kvadratni polmer vrtenja, ko je drugi koeficient Villi in različni koti), in sklepajte, da je ta kationski celulozni eter v vodne raztopine glede na stanje razmerja.

1.4 Merjenje viskoznosti in reološka preiskava

Koncentrirano raztopino CCE smo proučevali z reometrom Brookfield RVDV-III+ in raziskali vpliv koncentracije, gostote naboja in pH vrednosti na reološke lastnosti, kot je viskoznost vzorca. Pri višjih koncentracijah je treba raziskati njegovo tiksotropnost.

2. Rezultati in razprava

2.1 Raziskave sipanja svetlobe

Zaradi svoje posebne molekularne zgradbe tudi v dobrem topilu težko obstaja v obliki ene same molekule, temveč v obliki določenih stabilnih micel, grozdov ali asociacij.

Ko smo razredčeno vodno raztopino (~o,1 %) CCE opazovali s polarizacijskim mikroskopom, so se pod ozadjem črnega križnega ortogonalnega polja pojavile "zvezdaste" svetle lise in svetle črte. Nadalje je značilen po sipanju svetlobe, dinamičnem hidrodinamičnem polmeru pri različnih pH in kotih, srednjem kvadratnem polmeru vrtenja in drugem Villijevem koeficientu, dobljenem iz Berryjevega diagrama, so navedeni v Tab. 1. Porazdelitveni graf funkcije hidrodinamičnega radija, dobljen pri koncentraciji 10-5, je večinoma en sam vrh, vendar je porazdelitev zelo široka (slika 1), kar kaže, da so v sistemu asociacije na molekularni ravni in veliki agregati ; Obstajajo spremembe in vse vrednosti Rg/Rb so okoli 0,775, kar kaže, da je oblika CCE v raztopini blizu sferične, vendar ne dovolj pravilna. Vpliv pH na Rb in Rg ni očiten. Protiion v pufrski raztopini medsebojno deluje s CCE, da zaščiti naboj na svoji stranski verigi in jo skrči, vendar se razlika razlikuje glede na vrsto protiiona. Merjenje sipanja svetlobe nabitih polimerov je dovzetno za interakcijo sil na velike razdalje in zunanje motnje, zato obstajajo določene napake in omejitve pri karakterizaciji LLS. Kadar je masni delež večji od 0,02 %, so v diagramu porazdelitve Rh večinoma neločljivi dvojni vrhovi ali celo več vrhov. Ko se koncentracija poveča, se poveča tudi Rh, kar kaže, da je več makromolekul povezanih ali celo agregiranih. Ko Cao et al. uporabil sipanje svetlobe za preučevanje kopolimera karboksimetil celuloze in površinsko aktivnih makromerov, obstajali so tudi neločljivi dvojni vrhovi, od katerih je bil eden med 30 nm in 100 nm, kar je predstavljalo tvorbo micelov na molekularni ravni, drugi vrh Rh pa je relativno velik, ki se šteje za agregat, kar je podobno rezultatom, določenim v tem prispevku.

2.2 Raziskave reološkega obnašanja

2.2.1 Učinek koncentracije:Izmerite navidezno viskoznost raztopin KG-30M z različnimi koncentracijami pri različnih strižnih hitrostih in v skladu z logaritemsko obliko enačbe potenčnega zakona, ki jo je predlagal Ostwald-Dewaele, ko masni delež ne presega 0,7 %, in vrsto ravnih črt z linearnimi korelacijskimi koeficienti, večjimi od 0,99. Ko koncentracija narašča, se vrednost Newtonovega eksponenta n zmanjšuje (vsi so manjši od 1), kar kaže na očitno psevdoplastično tekočino. Zaradi strižne sile se makromolekularne verige začnejo razpletati in usmerjati, zato se viskoznost zmanjša. Ko je masni delež večji od 0,7 %, se linearni korelacijski koeficient dobljene premice zmanjša (približno 0,98), n pa začne z naraščanjem koncentracije nihati ali celo naraščati; ko masni delež doseže 3 % (slika 2), tabela Navidezna viskoznost najprej narašča, nato pa pada s povečanjem strižne hitrosti. Ta serija pojavov se razlikuje od poročil o drugih anionskih in kationskih polimernih raztopinah. Vrednost n se poveča, kar pomeni, da je nenewtonska lastnost oslabljena; Newtonska tekočina je viskozna tekočina in medmolekularni zdrs nastane pod delovanjem strižne napetosti in je ni mogoče obnoviti; ne-newtonska tekočina vsebuje elastični del, ki ga je mogoče obnoviti, in viskozni del, ki ga ni mogoče obnoviti. Pod delovanjem strižne napetosti pride do ireverzibilnega zdrsa med molekulami, hkrati pa, ker se makromolekule s strigom raztegnejo in orientirajo, nastane obnovljiv elastični del. Ko se zunanja sila odstrani, se makromolekule vrnejo v prvotno zvito obliko, zato se vrednost n poveča. Koncentracija se še naprej povečuje in tvori mrežno strukturo. Ko je strižna napetost majhna, ne bo uničena in bo prišlo le do elastične deformacije. V tem času se bo elastičnost relativno povečala, viskoznost bo oslabljena in vrednost n se bo zmanjšala; medtem ko se strižna napetost med postopkom merjenja postopoma povečuje, tako da n Vrednost niha. Ko masni delež doseže 3 %, se navidezna viskoznost najprej poveča in nato zmanjša, ker majhen strig spodbuja trk makromolekul, da nastanejo veliki agregati, zato se viskoznost poveča, strižna napetost pa še naprej razbija agregate. , se bo viskoznost spet zmanjšala.

Pri preiskavi tiksotropije nastavite hitrost (r/min), da dosežete želeni y, povečajte hitrost v rednih intervalih, dokler ne doseže nastavljene vrednosti, in nato hitro spustite z največje hitrosti nazaj na začetno vrednost, da dobite ustrezno Strižna napetost, njena povezava s strižno hitrostjo je prikazana na sliki 3. Ko je masni delež manjši od 2,5 %, se krivulja navzgor in navzdol popolnoma prekrivata, ko pa je masni delež 3 %, črti št. daljše prekrivanje, črta navzdol pa zaostaja, kar kaže na tiksotropijo.

Časovna odvisnost strižne napetosti je znana kot reološka odpornost. Reološka odpornost je značilno obnašanje viskoelastičnih tekočin in tekočin s tiksotropno strukturo. Ugotovljeno je, da čim večji je y pri enakem masnem deležu, tem hitreje r doseže ravnotežje in je časovna odvisnost manjša; pri nižjem masnem deležu (<2 %) CCE ne kaže reološke odpornosti. Ko se masni delež poveča na 2,5 %, kaže močno časovno odvisnost (slika 4) in traja približno 10 minut, da dosežemo ravnotežje, medtem ko pri 3,0 % traja ravnotežni čas 50 minut. Dobra tiksotropnost sistema omogoča praktično uporabo.

2.2.2 Učinek gostote naboja:izbrana je logaritemska oblika Spencer-Dillonove empirične formule, v kateri je viskoznost zero-cut, b konstantna pri isti koncentraciji in različni temperaturi ter narašča z naraščanjem koncentracije pri isti temperaturi. V skladu z enačbo potenčnega zakona, ki jo je sprejel Onogi leta 1966, je M relativna molekulska masa polimera, A in B sta konstanti, c pa je masni delež (%). sl.5 Tri krivulje imajo očitne prevojne točke okoli 0,6 %, kar pomeni, da obstaja kritičen masni delež. Več kot 0,6 % se viskoznost brez striga hitro poveča s povečanjem koncentracije C. Krivulje treh vzorcev z različnimi gostotami naboja so zelo blizu. Nasprotno, ko je masni delež med 0,2 % in 0,8 %, je viskoznost zero-cut vzorca LR z najmanjšo gostoto naboja največja, ker asociacija vodikove vezi zahteva določen stik. Zato je gostota naboja tesno povezana s tem, ali je mogoče makromolekule razporediti na urejen in kompakten način; s testiranjem DSC je bilo ugotovljeno, da ima LR šibek kristalizacijski vrh, kar kaže na primerno gostoto naboja, viskoznost brez striga pa je višja pri enaki koncentraciji. Ko je masni delež manjši od 0,2 %, je LR najmanjši, ker je v razredčeni raztopini večja verjetnost, da bodo makromolekule z nizko gostoto naboja oblikovale orientacijo tuljave, zato je viskoznost brez striga nizka. To ima dober vodilni pomen v smislu učinkovitosti zgoščevanja.

2.2.3 Učinek pH: Slika 6 je rezultat, izmerjen pri različnih pH v območju od 0,05 % do 2,5 % masnega deleža. Prevojna točka je okoli 0,45 %, vendar se tri krivulje skoraj prekrivajo, kar kaže, da pH nima očitnega vpliva na ničelno strižno viskoznost, ki se precej razlikuje od občutljivosti anionskega celuloznega etra na pH.

3. Zaključek

Razredčeno vodno raztopino KG-30M preučuje LLS in dobljena porazdelitev hidrodinamičnega radija je en vrh. Iz odvisnosti od kota in razmerja Rg/Rb je mogoče sklepati, da je njegova oblika blizu sferične, vendar ne dovolj pravilna. Pri raztopinah CCE s tremi gostotami naboja viskoznost narašča z naraščanjem koncentracije, vendar Newtonovo lovno število n najprej pada, nato niha in celo narašča; pH malo vpliva na viskoznost in zmerna gostota naboja lahko doseže višjo viskoznost.