Какав је однос између ДС и молекулске тежине натријум ЦМЦ

Натријум карбоксиметил целулоза (ЦМЦ) је свестрани полимер растворљив у води добијен од целулозе, природног полисахарида који се налази у зидовима биљних ћелија. Широко се користи у разним индустријама, укључујући храну, фармацију, козметику, текстил и бушење нафте, због својих јединствених својстава и функционалности.

Структура и својства натријум ЦМЦ:

ЦМЦ се синтетише хемијском модификацијом целулозе, при чему се карбоксиметил групе (-ЦХ2-ЦООХ) уводе у целулозну кичму кроз реакције етерификације или естерификације. Степен супституције (ДС) се односи на просечан број карбоксиметил група по јединици глукозе у целулозном ланцу. ДС вредности се обично крећу од 0,2 до 1,5, у зависности од услова синтезе и жељених особина ЦМЦ.

Молекуларна тежина ЦМЦ се односи на просечну величину полимерних ланаца и може значајно да варира у зависности од фактора као што су извор целулозе, метода синтезе, услови реакције и технике пречишћавања. Молекулска тежина се често карактерише параметрима као што су просечна молекулска маса (Мн), просечна молекулска тежина (Мв) и просечна молекулска тежина вискозитета (Мв).

Синтеза натријум ЦМЦ:

Синтеза ЦМЦ обично укључује реакцију целулозе са натријум хидроксидом (НаОХ) и хлоросирћетном киселином (ЦлЦХ2ЦООХ) или њеном натријумовом соли (НаЦлЦХ2ЦООХ). Реакција се одвија кроз нуклеофилну супституцију, где хидроксилне групе (-ОХ) на целулозној кичми реагују са хлорацетил групама (-ЦлЦХ2ЦООХ) да би се формирале карбоксиметил групе (-ЦХ2-ЦООХ).

ДС ЦМЦ се може контролисати подешавањем моларног односа хлорсирћетне киселине и целулозе, времена реакције, температуре, пХ и других параметара током синтезе. Више ДС вредности се обично постижу са вишим концентрацијама хлорсирћетне киселине и дужим временима реакције.

На молекуларну тежину ЦМЦ утичу различити фактори, укључујући дистрибуцију молекулске тежине почетног целулозног материјала, степен разградње током синтезе и степен полимеризације ЦМЦ ланаца. Различите методе синтезе и реакциони услови могу резултирати ЦМЦ са различитим дистрибуцијама молекулске тежине и просечним величинама.

Однос између ДС и молекулске тежине:

Однос између степена супституције (ДС) и молекулске тежине натријум карбоксиметил целулозе (ЦМЦ) је сложен и под утицајем више фактора који се односе на синтезу, структуру и својства ЦМЦ.

1. Утицај ДС на молекуларну тежину:
   • Више вредности ДС генерално одговарају нижим молекулским тежинама ЦМЦ. То је зато што веће ДС вредности указују на већи степен супституције карбоксиметил група на целулозној кичми, што доводи до краћих полимерних ланаца и ниже молекулске тежине у просеку.
   • Увођење карбоксиметил група нарушава интермолекуларну водоничну везу између целулозних ланаца, што доводи до цепања ланца и фрагментације током синтезе. Овај процес деградације може довести до смањења молекулске тежине ЦМЦ, посебно при вишим вредностима ДС и екстензивнијим реакцијама.
   • Супротно томе, ниже вредности ДС су у просеку повезане са дужим полимерним ланцима и већом молекуларном тежином. То је зато што нижи степени супституције резултирају мањим бројем карбоксиметил група по јединици глукозе, омогућавајући дужим сегментима немодификованих целулозних ланаца да остану нетакнути.
2. Утицај молекулске тежине на ДС:
   • Молекуларна тежина ЦМЦ може утицати на степен супституције постигнуте током синтезе. Веће молекулске тежине целулозе могу да обезбеде више реактивних места за реакције карбоксиметилације, омогућавајући да се постигне виши степен супституције под одређеним условима.
   • Међутим, претерано високе молекулске тежине целулозе могу такође да ометају доступност хидроксилних група за реакције супституције, што доводи до непотпуне или неефикасне карбоксиметилације и нижих вредности ДС.
   • Додатно, дистрибуција молекулске тежине почетног целулозног материјала може утицати на дистрибуцију ДС вредности у резултујућем ЦМЦ производу. Хетерогености у молекуларној тежини могу довести до варијација у реактивности и ефикасности супституције током синтезе, што доводи до ширег опсега ДС вредности у финалном ЦМЦ производу.

Утицај ДС и молекуларне тежине на својства и апликације ЦМЦ:

1. Реолошка својства:
   • Степен супституције (ДС) и молекулска тежина ЦМЦ-а могу утицати на његове реолошке особине, укључујући вискозитет, понашање у стањивању при смицању и формирање гела.
   • Веће ДС вредности генерално резултирају нижим вискозитетима и више псеудопластичног (смичног стањивања) понашања због краћих полимерних ланаца и смањеног молекуларног заплитања.
   • Супротно томе, ниже вредности ДС и веће молекулске тежине имају тенденцију да повећају вискозитет и побољшају псеудопластично понашање ЦМЦ раствора, што доводи до побољшаних својстава згушњавања и суспензије.
2. Растворљивост у води и понашање бубрења:
   • ЦМЦ са вишим ДС вредностима има тенденцију да покаже већу растворљивост у води и брже стопе хидратације због веће концентрације хидрофилних карбоксиметил група дуж полимерних ланаца.
   • Међутим, претерано високе вредности ДС такође могу довести до смањене растворљивости у води и повећаног формирања гела, посебно при високим концентрацијама или у присуству мултивалентних катјона.
   • Молекуларна тежина ЦМЦ-а може утицати на његово бубрење и својства задржавања воде. Веће молекуларне тежине генерално резултирају споријим стопама хидратације и већим капацитетом задржавања воде, што може бити корисно у апликацијама које захтевају континуирано ослобађање или контролу влаге.
3. Својства стварања филма и баријера:
   • ЦМЦ филмови формирани од раствора или дисперзија показују својства баријере против кисеоника, влаге и других гасова, што их чини погодним за примену у паковању и премазивању.
   • ДС и молекулска тежина ЦМЦ-а могу утицати на механичку чврстоћу, флексибилност и пропустљивост резултујућих филмова. Веће вредности ДС и ниже молекулске тежине могу довести до филмова са нижом затезном чврстоћом и већом пермеабилности због краћих полимерних ланаца и смањених међумолекулских интеракција.
4. Примене у различитим индустријама:
   • ЦМЦ са различитим ДС вредностима и молекуларним тежинама налази примену у различитим индустријама, укључујући храну, фармацеутске производе, козметику, текстил и бушење нафте.
   • У прехрамбеној индустрији, ЦМЦ се користи као згушњивач, стабилизатор и емулгатор у производима као што су сосеви, преливи и пића. Избор ЦМЦ квалитета зависи од жељене текстуре, осећаја у устима и захтева стабилности финалног производа.
   • У фармацеутским формулацијама, ЦМЦ служи као везиво, дезинтегрант и агенс за формирање филма у таблетама, капсулама и оралним суспензијама. ДС и молекуларна тежина ЦМЦ-а могу утицати на кинетику ослобађања лека, биорасположивост и придржавање пацијената.
   • У козметичкој индустрији, ЦМЦ се користи у кремама, лосионима и производима за негу косе као згушњивач, стабилизатор и хидратантна крема. Избор ЦМЦ степена зависи од фактора као што су текстура, распрострањеност и сензорни атрибути.
   • У индустрији бушења нафте, ЦМЦ се користи у течностима за бушење као вискозификатор, средство за контролу губитка течности и инхибитор шкриљаца. ДС и молекулска тежина ЦМЦ-а могу утицати на његов учинак у одржавању стабилности бушотине, контролисању губитка течности и инхибирању бубрења глине.

Закључак:

Однос између степена супституције (ДС) и молекулске тежине натријум карбоксиметил целулозе (ЦМЦ) је сложен и под утицајем више фактора који се односе на синтезу, структуру и својства ЦМЦ. Више ДС вредности генерално одговарају нижим молекуларним тежинама ЦМЦ, док ниже вредности ДС и веће молекулске масе имају тенденцију да доводе до дужих полимерних ланаца и веће молекулске масе у просеку. Разумевање овог односа је кључно за оптимизацију својстава и перформанси ЦМЦ-а у различитим применама широм индустрије, укључујући храну, фармацеутске производе, козметику, текстил и бушење нафте. Потребни су даљи истраживачки и развојни напори да би се разјаснили основни механизми и оптимизовала синтеза и карактеризација ЦМЦ са прилагођеним ДС и дистрибуцијама молекулске тежине за специфичне примене.