ผลขององค์ประกอบทดแทนและน้ำหนักโมเลกุลต่อคุณสมบัติพื้นผิวของอีเทอร์เซลลูโลสแบบไม่มีประจุ

ตามทฤษฎีการทำให้มีขึ้นของ Washburn (ทฤษฎีการเจาะ) และทฤษฎีการรวมกันของ van Oss-Good-Chaudhury (ทฤษฎีการรวม) และการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีไส้ตะเกียงแบบเรียงเป็นแนว (Column Wicking Technique) เซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกหลายชนิด เช่น เมทิลเซลลูโลส คุณสมบัติพื้นผิวของ ทดสอบเซลลูโลส, ไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสและไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส เนื่องจากองค์ประกอบทดแทนที่แตกต่างกัน องศาของการทดแทน และน้ำหนักโมเลกุลของเซลลูโลสอีเทอร์เหล่านี้ พลังงานพื้นผิวและส่วนประกอบของพวกมันจึงแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าฐานลูอิสของอีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่มีไอออนิกมีขนาดใหญ่กว่ากรดลิวอิส และส่วนประกอบหลักของพลังงานอิสระที่พื้นผิวคือแรงลิฟชิตซ์-แวนเดอร์วาลส์ พลังงานพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลและองค์ประกอบของมันมากกว่าพลังงานของไฮดรอกซีเมทิล ภายใต้สมมติฐานของสารทดแทนที่เหมือนกันและระดับของการทดแทน พลังงานที่ปราศจากพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสจะเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักโมเลกุล ในขณะที่พลังงานอิสระที่พื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสนั้นเป็นสัดส่วนกับระดับของการทดแทนและเป็นสัดส่วนผกผันกับน้ำหนักโมเลกุล การทดลองยังพบว่าพลังงานพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลและไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลทดแทนในอีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่ใช่ไอออนิกดูเหมือนว่าจะมากกว่าพลังงานพื้นผิวของเซลลูโลสและการทดลองพิสูจน์ว่าพลังงานพื้นผิวของเซลลูโลสที่ทดสอบและองค์ประกอบของมัน ข้อมูลคือ สอดคล้องกับวรรณกรรม

คำสำคัญ: อีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่มีประจุ สารทดแทนและระดับของการทดแทน น้ำหนักโมเลกุล คุณสมบัติพื้นผิว เทคโนโลยีไส้ตะเกียง

เซลลูโลสอีเทอร์เป็นอนุพันธ์ของเซลลูโลสประเภทใหญ่ ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นอีเทอร์ประจุลบ ประจุบวก และไม่มีไอออนิกตามโครงสร้างทางเคมีขององค์ประกอบย่อยอีเทอร์ เซลลูโลสอีเทอร์ยังเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์แรกสุดที่ได้รับการวิจัยและผลิตในสาขาเคมีโพลีเมอร์ จนถึงขณะนี้ เซลลูโลสอีเทอร์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในยา สุขอนามัย เครื่องสำอาง และอุตสาหกรรมอาหาร

แม้ว่าเซลลูโลสอีเทอร์ เช่น ไฮดรอกซีเมทิลเซลลูโลส ไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลส และไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส จะได้รับการผลิตในภาคอุตสาหกรรม และคุณสมบัติหลายอย่างได้รับการศึกษาแล้ว แต่พลังงานพื้นผิว คุณสมบัติของกรด ปฏิกิริยาอัลคาไลยังไม่ได้รับการรายงานจนถึงขณะนี้ เนื่องจากผลิตภัณฑ์เหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่เป็นของเหลว และลักษณะพื้นผิว โดยเฉพาะอย่างยิ่งลักษณะปฏิกิริยากรด-เบส มีแนวโน้มที่จะส่งผลกระทบต่อการใช้งาน จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องศึกษาและทำความเข้าใจลักษณะทางเคมีของพื้นผิวของอีเทอร์เซลลูโลสเชิงพาณิชย์นี้

เมื่อพิจารณาว่าตัวอย่างอนุพันธ์ของเซลลูโลสนั้นเปลี่ยนแปลงได้ง่ายมากเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขในการเตรียม บทความนี้จึงใช้ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์เป็นตัวอย่างเพื่อระบุลักษณะพลังงานพื้นผิว และจากสิ่งนี้ อิทธิพลขององค์ประกอบทดแทนและน้ำหนักโมเลกุลของผลิตภัณฑ์ดังกล่าวบนพื้นผิว มีการศึกษาคุณสมบัติ

1. ส่วนทดลอง

1.1 วัตถุดิบ

เซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกที่ใช้ในการทดลองเป็นผลผลิตจากคิมา เคมีคอล บจก- ตัวอย่างไม่ได้รับการบำบัดใดๆ ก่อนการทดสอบ

เมื่อพิจารณาว่าอนุพันธ์ของเซลลูโลสทำจากเซลลูโลส โครงสร้างทั้งสองจึงใกล้เคียงกัน และมีการรายงานคุณสมบัติพื้นผิวของเซลลูโลสในเอกสารวิจัย ดังนั้นบทความนี้จึงใช้เซลลูโลสเป็นตัวอย่างมาตรฐาน ตัวอย่างเซลลูโลสที่ใช้มีชื่อรหัสว่า C8002 และซื้อมาจากคิมมา, CN- ตัวอย่างไม่ได้รับการรักษาใดๆ ในระหว่างการทดสอบ

รีเอเจนต์ที่ใช้ในการทดลอง ได้แก่ อีเทน ไดโอโดมีเทน น้ำปราศจากไอออน ฟอร์มาไมด์ โทลูอีน คลอโรฟอร์ม ของเหลวทั้งหมดเป็นผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์เชิงวิเคราะห์ ยกเว้นน้ำที่มีจำหน่ายในท้องตลาด

1.2 วิธีการทดลอง

ในการทดลองนี้ มีการใช้เทคนิคการดูดคอลัมน์ และตัดส่วน (ประมาณ 10 ซม.) ของปิเปตมาตรฐานที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 3 มม. เป็นท่อคอลัมน์ ใส่ตัวอย่างผง 200 มก. ลงในท่อคอลัมน์ในแต่ละครั้ง จากนั้นเขย่าให้เท่ากันและวางในแนวตั้งที่ด้านล่างของภาชนะแก้วโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในประมาณ 3 ซม. เพื่อให้สามารถดูดซับของเหลวได้เอง ชั่งน้ำหนักของเหลว 1 มล. ที่จะทดสอบ แล้วใส่ลงในภาชนะแก้ว และบันทึกเวลาการแช่ t และระยะการแช่ X ในเวลาเดียวกัน การทดลองทั้งหมดถูกดำเนินการที่อุณหภูมิห้อง (25±1°ค) แต่ละข้อมูลคือค่าเฉลี่ยของการทดลองซ้ำสามครั้ง

1.3 การคำนวณข้อมูลการทดลอง

พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการประยุกต์ใช้เทคนิคการดูดซับคอลัมน์เพื่อทดสอบพลังงานพื้นผิวของวัสดุที่เป็นผงคือสมการการทำให้มีขึ้นของ Washburn (สมการการเจาะของ Washburn)

1.3.1 การหาค่ารัศมีประสิทธิผลของเส้นเลือดฝอย Reff ของตัวอย่างที่วัดได้

เมื่อใช้สูตรแช่ Washburn เงื่อนไขในการทำให้เปียกโดยสมบูรณ์คือ cos=1 ซึ่งหมายความว่าเมื่อของเหลวถูกเลือกให้จุ่มลงในของแข็งเพื่อให้ได้สภาวะที่เปียกเต็มที่ เราสามารถคำนวณค่า Ref รัศมีประสิทธิผลของเส้นเลือดฝอยของตัวอย่างที่วัดได้โดยการทดสอบระยะทางและเวลาในการแช่ตามกรณีพิเศษของสูตรการแช่ Washburn

1.3.2 การคำนวณแรง Lifshitz-van der Waals สำหรับตัวอย่างที่วัดได้

ตามกฎการรวมของแวน ออส-โชดูรี-กู๊ด ความสัมพันธ์ระหว่างปฏิกิริยาระหว่างของเหลวและของแข็ง

1.3.3 การคำนวณแรงกรด-เบสลูอิสของตัวอย่างที่วัดได้

โดยทั่วไป คุณสมบัติกรด-เบสของของแข็งประเมินจากข้อมูลที่ชุบน้ำและฟอร์มาไมด์ แต่ในบทความนี้เราพบว่าไม่มีปัญหาเมื่อใช้ของเหลวมีขั้วคู่นี้ในการวัดเซลลูโลส แต่ในการทดสอบเซลลูโลสอีเทอร์ เนื่องจากความสูงในการแช่ของระบบสารละลายขั้วโลกของน้ำ/ฟอร์มาไมด์ในเซลลูโลสอีเทอร์ต่ำเกินไป ทำให้การบันทึกเวลาทำได้ยากมาก ดังนั้นจึงเลือกระบบสารละลายโทลูอีน/คลอโรฟอร์มที่ Chibowsk นำมาใช้ จากข้อมูลของ Chibowski ระบบสารละลายโพลาร์โทลูอีน/คลอโรฟอร์มก็เป็นทางเลือกเช่นกัน เนื่องจากของเหลวทั้งสองชนิดนี้มีความเป็นกรดและด่างเป็นพิเศษ เช่น โทลูอีนไม่มีความเป็นกรดของลิวอิส และคลอโรฟอร์มไม่มีความเป็นด่างของลิวอิส เพื่อให้ได้รับข้อมูลที่ได้รับจากระบบสารละลายโทลูอีน/คลอโรฟอร์มใกล้กับระบบสารละลายมีขั้วที่แนะนำของน้ำ/ฟอร์มาไมด์ เราใช้ระบบของเหลวมีขั้วทั้งสองระบบนี้เพื่อทดสอบเซลลูโลสในเวลาเดียวกัน จากนั้นจึงหาค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวหรือการหดตัวที่สอดคล้องกัน ก่อนนำไปใช้ ข้อมูลที่ได้จากการชุบเซลลูโลสอีเทอร์ด้วยโทลูอีน/คลอโรฟอร์มใกล้เคียงกับข้อสรุปที่ได้รับสำหรับระบบน้ำ/ฟอร์มาไมด์ เนื่องจากเซลลูโลสอีเทอร์ได้มาจากเซลลูโลสและมีโครงสร้างที่คล้ายกันมากระหว่างทั้งสอง วิธีการประมาณค่านี้อาจใช้ได้

1.3.4 การคำนวณพลังงานรวมที่ปราศจากพื้นผิว

2. ผลลัพธ์และการสนทนา

2.1 มาตรฐานเซลลูโลส

เนื่องจากผลการทดสอบของเราในตัวอย่างมาตรฐานเซลลูโลสพบว่าข้อมูลเหล่านี้สอดคล้องกับข้อมูลที่รายงานไว้ในเอกสาร จึงมีเหตุผลที่จะเชื่อได้ว่าควรพิจารณาผลการทดสอบกับเซลลูโลสอีเทอร์ด้วย

2.2 ผลการทดสอบและการอภิปรายเกี่ยวกับเซลลูโลสอีเทอร์

ในระหว่างการทดสอบเซลลูโลสอีเทอร์ การบันทึกระยะทางและเวลาในการแช่นั้นทำได้ยากมาก เนื่องจากน้ำและฟอร์มาไมด์ในการแช่มีความสูงต่ำมาก ดังนั้น บทความนี้จึงเลือกระบบสารละลายโทลูอีน/คลอโรฟอร์มเป็นสารละลายทางเลือก และประมาณค่าความเป็นกรดของลิวอิสของเซลลูโลสอีเทอร์โดยอิงจากผลการทดสอบของน้ำ/ฟอร์มาไมด์และโทลูอีน/คลอโรฟอร์มบนเซลลูโลสและความสัมพันธ์ตามสัดส่วนระหว่างระบบสารละลายทั้งสอง และพลังอัลคาไลน์

เมื่อนำเซลลูโลสมาเป็นตัวอย่างมาตรฐาน จะได้ชุดคุณลักษณะกรด-เบสของเซลลูโลสอีเทอร์ เนื่องจากผลของการชุบเซลลูโลสอีเทอร์ด้วยโทลูอีน/คลอโรฟอร์มได้รับการทดสอบโดยตรง จึงน่าเชื่อถือ

ซึ่งหมายความว่าชนิดและน้ำหนักโมเลกุลขององค์ประกอบแทนที่ส่งผลต่อคุณสมบัติกรด-เบสของเซลลูโลสอีเทอร์ และความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบแทนที่ทั้งสอง ได้แก่ ไฮดรอกซีโพรพิลและไฮดรอกซีโพรพิลเมทิล ต่อคุณสมบัติกรด-เบสของเซลลูโลสอีเทอร์และน้ำหนักโมเลกุลที่ตรงกันข้ามโดยสิ้นเชิง แต่อาจเกี่ยวข้องกับข้อเท็จจริงที่ว่า ส.ส. มีการเลือกตั้งแบบผสมด้วย

เนื่องจากองค์ประกอบทดแทนของ MO43 และ K8913 แตกต่างกันและมีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากัน ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบทดแทนของสารชนิดแรกคือไฮดรอกซีเมทิล และองค์ประกอบทดแทนของสารอย่างหลังคือไฮดรอกซีโพรพิล แต่น้ำหนักโมเลกุลของทั้งสองคือ 100,000 ดังนั้นจึงหมายความว่า หลักฐานที่มีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากัน ภายใต้สถานการณ์ดังกล่าว S+ และ S- ของกลุ่มไฮดรอกซีเมทิลอาจน้อยกว่ากลุ่มไฮดรอกซีโพรพิล แต่ระดับการทดแทนก็เป็นไปได้เช่นกัน เนื่องจากระดับการทดแทนของ K8913 อยู่ที่ประมาณ 3.00 ในขณะที่ MO43 อยู่ที่เพียง 1.90

เนื่องจากระดับการทดแทนและองค์ประกอบทดแทนของ K8913 และ K9113 เท่ากันแต่มีน้ำหนักโมเลกุลเท่านั้นที่แตกต่างกัน การเปรียบเทียบระหว่างทั้งสองแสดงให้เห็นว่า S+ ของไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสลดลงตามการเพิ่มขึ้นของน้ำหนักโมเลกุล แต่ S- จะเพิ่มขึ้นในทางตรงกันข้าม -

จากการสรุปผลการทดสอบพลังงานพื้นผิวของเซลลูโลสอีเทอร์ทั้งหมดและส่วนประกอบต่างๆ จะเห็นได้ว่าไม่ว่าจะเป็นเซลลูโลสหรือเซลลูโลสอีเทอร์องค์ประกอบหลักของพลังงานพื้นผิวคือแรงลิฟชิตซ์-แวนเดอร์วาลส์ ซึ่งคิดเป็น ประมาณ 98%~99% ยิ่งไปกว่านั้น แรง Lifshitz-van der Waals ของอีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่มีประจุเหล่านี้ (ยกเว้น MO43) ส่วนใหญ่ก็มากกว่าแรงของเซลลูโลสเช่นกัน ซึ่งบ่งชี้ว่ากระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชั่นของเซลลูโลสยังเป็นกระบวนการในการเพิ่มแรงของ Lifshitz-van der Waals อีกด้วย และการเพิ่มขึ้นเหล่านี้นำไปสู่พลังงานพื้นผิวของเซลลูโลสอีเทอร์มากกว่าเซลลูโลส ปรากฏการณ์นี้น่าสนใจมากเพราะเซลลูโลสอีเทอร์เหล่านี้มักใช้ในการผลิตสารลดแรงตึงผิว แต่ข้อมูลเป็นที่น่าสังเกต ไม่เพียงเพราะข้อมูลเกี่ยวกับตัวอย่างมาตรฐานอ้างอิงที่ทดสอบในการทดลองนี้มีความสอดคล้องอย่างยิ่งกับค่าที่รายงานในวรรณกรรม ข้อมูลเกี่ยวกับตัวอย่างมาตรฐานอ้างอิงมีความสอดคล้องอย่างยิ่งกับค่าที่รายงานในวรรณกรรมสำหรับ ตัวอย่าง: เซลลูโลสทั้งหมดนี้ SAB ของอีเทอร์มีขนาดเล็กกว่าเซลลูโลสอย่างมาก และนี่เป็นเพราะฐานลูอิสที่ใหญ่มาก ภายใต้สมมติฐานของสารทดแทนที่เหมือนกันและระดับของการทดแทน พลังงานที่ปราศจากพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสจะเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักโมเลกุล ในขณะที่พลังงานอิสระที่พื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสนั้นเป็นสัดส่วนกับระดับของการทดแทนและเป็นสัดส่วนผกผันกับน้ำหนักโมเลกุล

นอกจากนี้ เนื่องจากเซลลูโลสอีเทอร์มี SLW มากกว่าเซลลูโลส แต่เรารู้อยู่แล้วว่าความสามารถในการกระจายตัวของพวกมันดีกว่าเซลลูโลส ดังนั้นจึงพิจารณาได้ในเบื้องต้นว่าองค์ประกอบหลักของ SLW ที่ประกอบด้วยอีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่มีประจุควรเป็นแรงลอนดอน

3. บทสรุป

การศึกษาพบว่าประเภทขององค์ประกอบทดแทน ระดับของการทดแทน และน้ำหนักโมเลกุลมีอิทธิพลอย่างมากต่อพลังงานพื้นผิวและองค์ประกอบของอีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่ใช่ไอออนิก และเอฟเฟกต์นี้ดูเหมือนว่าจะมีความสม่ำเสมอดังต่อไปนี้:

(1) S+ ของอีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่มีไอออนิกมีขนาดเล็กกว่า S-

(2) พลังงานพื้นผิวของอีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่มีประจุถูกครอบงำโดยแรงลิฟชิตซ์-แวนเดอร์วาลส์

(3) น้ำหนักโมเลกุลและองค์ประกอบทดแทนมีผลกระทบต่อพลังงานพื้นผิวของอีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่ใช่ไอออนิก แต่ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับประเภทขององค์ประกอบทดแทน

(4) ภายใต้สมมติฐานขององค์ประกอบทดแทนเดียวกันและระดับของการทดแทน พลังงานอิสระที่พื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักโมเลกุล ในขณะที่พลังงานอิสระที่พื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสนั้นเป็นสัดส่วนกับระดับของการทดแทนและเป็นสัดส่วนผกผันกับน้ำหนักโมเลกุล

(5) กระบวนการอีเธอริฟิเคชันของเซลลูโลสเป็นกระบวนการที่แรง Lifshitz-van der Waals เพิ่มขึ้น และยังเป็นกระบวนการที่ความเป็นกรดของ Lewis ลดลง และความเป็นด่างของ Lewis เพิ่มขึ้น