Kakšno je razmerje med DS in molekulsko maso natrijevega CMC?

Natrijeva karboksimetil celuloza (CMC) je vsestranski vodotopen polimer, pridobljen iz celuloze, naravno prisotnega polisaharida, ki ga najdemo v celičnih stenah rastlin. Zaradi svojih edinstvenih lastnosti in funkcionalnosti se pogosto uporablja v različnih industrijah, vključno s hrano, farmacijo, kozmetiko, tekstilom in črpanjem nafte.

Struktura in lastnosti natrijevega CMC:

CMC se sintetizira s kemično modifikacijo celuloze, pri čemer se karboksimetilne skupine (-CH2-COOH) vnesejo na celulozno ogrodje z reakcijami eterifikacije ali esterifikacije. Stopnja substitucije (DS) se nanaša na povprečno število karboksimetilnih skupin na enoto glukoze v celulozni verigi. Vrednosti DS se običajno gibljejo od 0,2 do 1,5, odvisno od pogojev sinteze in želenih lastnosti CMC.

Molekulska masa CMC se nanaša na povprečno velikost polimernih verig in se lahko znatno razlikuje glede na dejavnike, kot so vir celuloze, metoda sinteze, reakcijski pogoji in tehnike čiščenja. Molekulska masa je pogosto označena s parametri, kot so številčna povprečna molekulska masa (Mn), povprečna molekulska masa (Mw) in povprečna molekulska masa viskoznosti (Mv).

Sinteza natrijevega CMC:

Sinteza CMC običajno vključuje reakcijo celuloze z natrijevim hidroksidom (NaOH) in kloroocetno kislino (ClCH2COOH) ali njeno natrijevo soljo (NaClCH2COOH). Reakcija poteka z nukleofilno substitucijo, kjer hidroksilne skupine (-OH) na celuloznem ogrodju reagirajo s kloroacetilnimi skupinami (-ClCH2COOH), da tvorijo karboksimetilne skupine (-CH2-COOH).

DS CMC je mogoče nadzorovati s prilagajanjem molskega razmerja kloroocetne kisline in celuloze, reakcijskega časa, temperature, pH in drugih parametrov med sintezo. Višje vrednosti DS se običajno dosežejo z višjimi koncentracijami kloroocetne kisline in daljšimi reakcijskimi časi.

Na molekulsko maso CMC vplivajo različni dejavniki, vključno z porazdelitvijo molekulske mase izhodnega celuloznega materiala, obsegom razgradnje med sintezo in stopnjo polimerizacije verig CMC. Različne metode sinteze in reakcijski pogoji lahko povzročijo CMC z različnimi porazdelitvami molekulske mase in povprečnimi velikostmi.

Razmerje med DS in molekulsko maso:

Razmerje med stopnjo substitucije (DS) in molekulsko maso natrijeve karboksimetil celuloze (CMC) je zapleteno in nanj vpliva več dejavnikov, povezanih s sintezo, strukturo in lastnostmi CMC.

1. Vpliv DS na molekulsko maso:
   • Višje vrednosti DS na splošno ustrezajo nižjim molekulskim masam CMC. To je zato, ker višje vrednosti DS kažejo večjo stopnjo substitucije karboksimetilnih skupin na ogrodje celuloze, kar vodi do krajših polimernih verig in nižjih molekulskih mas v povprečju.
   • Uvedba karboksimetilnih skupin prekine medmolekularno vodikovo vez med celuloznimi verigami, kar povzroči razcep verige in fragmentacijo med sintezo. Ta proces razgradnje lahko privede do zmanjšanja molekulske mase CMC, zlasti pri višjih vrednostih DS in obsežnejših reakcijah.
   • Nasprotno pa so nižje vrednosti DS povezane z daljšimi polimernimi verigami in v povprečju višjimi molekulskimi masami. To je zato, ker nižje stopnje substitucije povzročijo manj karboksimetilnih skupin na enoto glukoze, kar omogoča, da daljši segmenti nemodificiranih celuloznih verig ostanejo nedotaknjeni.
2. Vpliv molekulske mase na DS:
   • Molekulska masa CMC lahko vpliva na stopnjo substitucije, doseženo med sintezo. Večje molekulske mase celuloze lahko zagotovijo več reaktivnih mest za reakcije karboksimetilacije, kar omogoča doseganje višje stopnje substitucije pod določenimi pogoji.
   • Vendar pa lahko pretirano visoke molekulske mase celuloze tudi ovirajo dostopnost hidroksilnih skupin za substitucijske reakcije, kar vodi do nepopolne ali neučinkovite karboksimetilacije in nižjih vrednosti DS.
   • Poleg tega lahko porazdelitev molekulske mase začetnega celuloznega materiala vpliva na porazdelitev vrednosti DS v dobljenem produktu CMC. Heterogenosti v molekulski masi lahko povzročijo razlike v reaktivnosti in substitucijski učinkovitosti med sintezo, kar vodi do širšega razpona vrednosti DS v končnem produktu CMC.

Vpliv DS in molekulske mase na lastnosti in uporabo CMC:

1. Reološke lastnosti:
   • Stopnja substitucije (DS) in molekulska masa CMC lahko vplivata na njegove reološke lastnosti, vključno z viskoznostjo, strižnim redčenjem in tvorbo gela.
   • Višje vrednosti DS na splošno povzročijo nižje viskoznosti in bolj psevdoplastično (strižno redčenje) obnašanje zaradi krajših polimernih verig in zmanjšanega molekularnega prepletanja.
   • Nasprotno pa nižje vrednosti DS in višje molekulske mase povečajo viskoznost in povečajo psevdoplastično obnašanje raztopin CMC, kar vodi do izboljšanih lastnosti zgoščevanja in suspenzije.
2. Topnost v vodi in nabrekanje:
   • CMC z višjimi vrednostmi DS ponavadi kaže večjo topnost v vodi in hitrejše stopnje hidracije zaradi višje koncentracije hidrofilnih karboksimetilnih skupin vzdolž polimernih verig.
   • Vendar lahko previsoke vrednosti DS povzročijo tudi zmanjšano topnost v vodi in povečano tvorbo gela, zlasti pri visokih koncentracijah ali v prisotnosti večvalentnih kationov.
   • Molekulska masa CMC lahko vpliva na njegovo nabrekanje in lastnosti zadrževanja vode. Večje molekulske mase običajno povzročijo počasnejše stopnje hidracije in večjo sposobnost zadrževanja vode, kar je lahko koristno pri aplikacijah, ki zahtevajo podaljšano sproščanje ali nadzor vlage.
3. Lastnosti tvorjenja filma in pregrade:
   • CMC filmi, oblikovani iz raztopin ali disperzij, imajo pregradne lastnosti proti kisiku, vlagi in drugim plinom, zaradi česar so primerni za pakiranje in nanašanje premazov.
   • DS in molekulska masa CMC lahko vplivata na mehansko trdnost, prožnost in prepustnost nastalih filmov. Višje vrednosti DS in nižje molekulske mase lahko povzročijo filme z nižjo natezno trdnostjo in večjo prepustnostjo zaradi krajših polimernih verig in zmanjšanih medmolekulskih interakcij.
4. Aplikacije v različnih panogah:
   • CMC z različnimi vrednostmi DS in molekulskimi masami se uporablja v različnih panogah, vključno s hrano, farmacijo, kozmetiko, tekstilom in naftnimi vrtinami.
   • V prehrambeni industriji se CMC uporablja kot zgoščevalec, stabilizator in emulgator v izdelkih, kot so omake, prelivi in ​​pijače. Izbira razreda CMC je odvisna od želene teksture, občutka v ustih in zahtev glede stabilnosti končnega izdelka.
   • V farmacevtskih formulacijah CMC služi kot vezivo, dezintegrant in sredstvo za tvorbo filma v tabletah, kapsulah in peroralnih suspenzijah. DS in molekulska masa KMC lahko vplivata na kinetiko sproščanja zdravila, biološko uporabnost in sodelovanje bolnika.
   • V kozmetični industriji se CMC uporablja v kremah, losjonih in izdelkih za nego las kot zgoščevalec, stabilizator in vlažilec. Izbira razreda CMC je odvisna od dejavnikov, kot so tekstura, mazljivost in senzorične lastnosti.
   • V industriji vrtanja nafte se CMC uporablja v vrtalnih tekočinah kot viskozifikator, sredstvo za nadzor izgube tekočine in inhibitor skrilavca. DS in molekulska masa CMC lahko vplivata na njegovo učinkovitost pri ohranjanju stabilnosti vrtine, nadzoru izgube tekočine in zaviranju nabrekanja gline.

Zaključek:

Razmerje med stopnjo substitucije (DS) in molekulsko maso natrijeve karboksimetil celuloze (CMC) je zapleteno in nanj vpliva več dejavnikov, povezanih s sintezo, strukturo in lastnostmi CMC. Višje vrednosti DS na splošno ustrezajo nižjim molekulskim masam CMC, medtem ko nižje vrednosti DS in višje molekulske mase ponavadi povzročijo daljše polimerne verige in v povprečju višje molekulske mase. Razumevanje tega razmerja je ključnega pomena za optimizacijo lastnosti in učinkovitosti CMC v različnih aplikacijah v panogah, vključno s hrano, farmacevtskimi izdelki, kozmetiko, tekstilom in črpanjem nafte. Potrebna so nadaljnja raziskovalna in razvojna prizadevanja za pojasnitev osnovnih mehanizmov in optimizacijo sinteze in karakterizacije CMC s prilagojenim DS in porazdelitvijo molekulske mase za specifične aplikacije.