คุณสมบัติของสารละลายอีเทอร์ประจุบวกเซลลูโลสอีเทอร์

ศึกษาคุณสมบัติสารละลายเจือจางของเซลลูโลสอีเทอร์ประจุบวกความหนาแน่นสูง (KG-30M) ที่ค่า pH ที่แตกต่างกันได้รับการศึกษาด้วยเครื่องมือกระจายแสงเลเซอร์ จากรัศมีอุทกพลศาสตร์ (Rh) ที่มุมที่ต่างกัน และรัศมีรากเฉลี่ยกำลังสองของการหมุน Rg อัตราส่วนต่อ Rh อนุมานได้ว่ารูปร่างของมันไม่สม่ำเสมอแต่ใกล้เคียงกับทรงกลม จากนั้น ด้วยความช่วยเหลือของรีโอมิเตอร์ ได้มีการศึกษาสารละลายเข้มข้นของอีเทอร์เซลลูโลสประจุบวกสามชนิดที่มีความหนาแน่นประจุต่างกันอย่างละเอียด และได้หารือเกี่ยวกับอิทธิพลของความเข้มข้น ค่า pH และความหนาแน่นประจุของมันต่อคุณสมบัติทางรีโอโลยีของมัน เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น เลขชี้กำลังของนิวตันลดลงก่อนแล้วจึงลดลง ความผันผวนหรือการฟื้นตัวเกิดขึ้น และพฤติกรรม thixotropic เกิดขึ้นที่ 3% (เศษส่วนของมวล) ความหนาแน่นประจุปานกลางมีประโยชน์ในการได้รับความหนืดแบบไม่มีแรงเฉือนที่สูงขึ้น และค่า pH มีผลเพียงเล็กน้อยต่อความหนืด

คำสำคัญ:ประจุบวกเซลลูโลสอีเทอร์- สัณฐานวิทยา; ความหนืดเฉือนเป็นศูนย์ รีโอวิทยา

อนุพันธ์ของเซลลูโลสและพอลิเมอร์เชิงฟังก์ชันที่ได้รับการดัดแปลงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านผลิตภัณฑ์ทางสรีรวิทยาและสุขอนามัย ปิโตรเคมี ยา อาหาร ผลิตภัณฑ์ดูแลส่วนบุคคล บรรจุภัณฑ์ ฯลฯ เซลลูโลสอีเทอร์ประจุบวกที่ละลายน้ำได้ (CCE) เกิดจากการที่มีความหนาที่แข็งแกร่ง ความสามารถ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในสารเคมีรายวัน โดยเฉพาะแชมพู และสามารถปรับปรุงหวีผมหลังการสระผมได้ ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากมีความเข้ากันได้ดี จึงสามารถใช้ได้ในแชมพูทูอินวันและออลอินวัน นอกจากนี้ยังมีโอกาสในการสมัครที่ดีและดึงดูดความสนใจของประเทศต่างๆ มีรายงานในวรรณคดีว่าสารละลายอนุพันธ์ของเซลลูโลสแสดงพฤติกรรม เช่น ของไหลของนิวตัน ของไหลเทียม ของไหลไทโซโทรปิก และของไหลที่มีความหนืดเพิ่มขึ้น โดยมีความเข้มข้นเพิ่มขึ้น แต่สัณฐานวิทยา รีโอโลจี และปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อประจุบวกเซลลูโลสอีเทอร์ในสารละลายในน้ำ มีน้อย รายงานการวิจัย บทความนี้มุ่งเน้นไปที่พฤติกรรมทางรีโอโลจีของสารละลายในน้ำดัดแปลงเซลลูโลสควอเทอร์นารีแอมโมเนียม เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการใช้งานจริง

1. ส่วนทดลอง

1.1 วัตถุดิบ

ประจุบวกเซลลูโลสอีเทอร์ (KG-30M, JR-30M, LR-30M); ผลิตภัณฑ์ของบริษัท Canada Dow Chemical จัดหาโดยบริษัท Procter & Gamble Company Kobe R&D Center ในประเทศญี่ปุ่น วัดโดยเครื่องวิเคราะห์องค์ประกอบ Vario EL (บริษัท German Elemental) ตัวอย่าง ปริมาณไนโตรเจนอยู่ที่ 2.7%, 1.8%, 1.0% ตามลำดับ (ความหนาแน่นของประจุคือ 1.9 Meq/g, 1.25 Meq/g, 0.7 Meq/g ตามลำดับ) และได้รับการทดสอบโดยเครื่องกระจายแสงเลเซอร์ ALV-5000E ของเยอรมัน (LLS) โดยวัดน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยของน้ำหนักประมาณ 1.64×106ก./โมล

1.2 การเตรียมสารละลาย

ตัวอย่างถูกทำให้บริสุทธิ์โดยการกรอง การฟอกไต และการทำแห้งแบบเยือกแข็ง ชั่งน้ำหนักตัวอย่างเชิงปริมาณสามชุดตามลำดับ และเติมสารละลายบัฟเฟอร์มาตรฐานที่มีค่า pH 4.00, 6.86, 9.18 เพื่อเตรียมความเข้มข้นที่ต้องการ เพื่อให้แน่ใจว่าตัวอย่างละลายหมด สารละลายตัวอย่างทั้งหมดจะถูกวางบนเครื่องกวนแม่เหล็กเป็นเวลา 48 ชั่วโมงก่อนการทดสอบ

1.3 การวัดการกระเจิงของแสง

ใช้ LLS เพื่อวัดน้ำหนักโมเลกุลเฉลี่ยโดยน้ำหนักของตัวอย่างในสารละลายน้ำเจือจาง รัศมีอุทกพลศาสตร์และรัศมีรากกำลังสองเฉลี่ยของการหมุนเมื่อค่าสัมประสิทธิ์วิลลีที่สองและมุมที่ต่างกัน) และอนุมานได้ว่าอีเทอร์เซลลูโลสประจุบวกนี้อยู่ใน สารละลายที่เป็นน้ำตามสถานะอัตราส่วน

1.4 การวัดความหนืดและการตรวจสอบทางรีโอโลจี

สารละลาย CCE เข้มข้นได้รับการศึกษาโดยรีโอมิเตอร์ของ Brookfield RVDV-III+ และอิทธิพลของความเข้มข้น ความหนาแน่นของประจุ และค่า pH ที่มีต่อคุณสมบัติทางรีโอโลยี เช่น ความหนืดของตัวอย่าง ได้รับการตรวจสอบ ที่ความเข้มข้นสูง จำเป็นต้องตรวจสอบ thixotropy

2. ผลลัพธ์และการอภิปราย

2.1 การวิจัยเรื่องการกระเจิงของแสง

เนื่องจากโครงสร้างโมเลกุลพิเศษ จึงเป็นเรื่องยากที่จะคงอยู่ในรูปของโมเลกุลเดี่ยวแม้จะอยู่ในตัวทำละลายที่ดี แต่จะอยู่ในรูปของไมเซลล์ คลัสเตอร์ หรือการรวมตัวที่เสถียรบางชนิด

เมื่อสังเกตสารละลายน้ำเจือจาง (~o.1%) ของ CCE ด้วยกล้องจุลทรรศน์โพลาไรซ์ ภายใต้พื้นหลังของสนามมุมฉากกากบาทสีดำ จุดสว่าง "ดาว" และแถบสว่างปรากฏขึ้น มีคุณลักษณะพิเศษเพิ่มเติมคือการกระเจิงของแสง รัศมีอุทกพลศาสตร์แบบไดนามิกที่ pH และมุมที่แตกต่างกัน รัศมีรากกำลังสองเฉลี่ยของการหมุน และค่าสัมประสิทธิ์วิลลีที่สองที่ได้รับจากแผนภาพเบอร์รี่แสดงอยู่ใน Tab 1. กราฟการกระจายของฟังก์ชันรัศมีอุทกพลศาสตร์ที่ได้รับที่ความเข้มข้น 10-5 ส่วนใหญ่เป็นค่าพีคเดียว แต่การกระจายมีความกว้างมาก (รูปที่ 1) บ่งชี้ว่ามีความสัมพันธ์ระดับโมเลกุลและมวลรวมขนาดใหญ่ในระบบ ; มีการเปลี่ยนแปลง และค่า Rg/Rb อยู่ที่ประมาณ 0.775 ซึ่งบ่งชี้ว่ารูปร่างของ CCE ในสารละลายใกล้เคียงกับทรงกลมแต่ไม่สม่ำเสมอเพียงพอ ผลของ pH ต่อ Rb และ Rg ไม่ชัดเจน ปฏิกิริยาตอบโต้ในสารละลายบัฟเฟอร์โต้ตอบกับ CCE เพื่อป้องกันประจุบนสายโซ่ด้านข้างและทำให้มันหดตัว แต่ความแตกต่างจะแตกต่างกันไปตามประเภทของการตอบโต้ การวัดการกระเจิงของแสงของโพลีเมอร์ที่มีประจุนั้นไวต่อแรงกระทำในระยะไกลและการรบกวนจากภายนอก ดังนั้นจึงมีข้อผิดพลาดและข้อจำกัดบางประการในการกำหนดลักษณะเฉพาะของ LLS เมื่อเศษส่วนของมวลมากกว่า 0.02% ส่วนใหญ่แล้วจะมีพีคสองเท่าที่แยกกันไม่ออกหรือแม้แต่หลายพีคในแผนภาพการกระจาย Rh เมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น Rh ก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ซึ่งบ่งชี้ว่ามีโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เกี่ยวข้องกันหรือรวมตัวกันมากขึ้น เมื่อเฉาและคณะ ใช้การกระเจิงของแสงเพื่อศึกษาโคพอลิเมอร์ของคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสและมาโครเมอร์ที่ทำงานบนพื้นผิว นอกจากนี้ยังมีพีคคู่ที่แยกไม่ออก ซึ่งหนึ่งในนั้นอยู่ระหว่าง 30 นาโนเมตรถึง 100 นาโนเมตร แสดงถึงการก่อตัวของไมเซลล์ในระดับโมเลกุล และอีกพีค Rh ค่อนข้างจะ ใหญ่ซึ่งถือเป็นผลรวมซึ่งคล้ายกับผลลัพธ์ที่กำหนดในบทความนี้

2.2 การวิจัยเกี่ยวกับพฤติกรรมทางรีโอโลยี

2.2.1 ผลของความเข้มข้น:วัดความหนืดปรากฏของสารละลาย KG-30M ที่มีความเข้มข้นต่างกันที่อัตราเฉือนต่างกัน และตามรูปแบบลอการิทึมของสมการกฎกำลังที่เสนอโดย Ostwald-Dewaele เมื่อเศษส่วนมวลไม่เกิน 0.7% และชุดของเส้นตรง โดยมีค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์เชิงเส้นมากกว่า 0.99 และเมื่อความเข้มข้นเพิ่มขึ้น ค่าของเลขชี้กำลังของนิวตัน n จะลดลง (น้อยกว่า 1 ทั้งหมด) แสดงให้เห็นของเหลวเทียมที่ชัดเจน เมื่อขับเคลื่อนด้วยแรงเฉือน สายโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่จะเริ่มคลายตัวและหมุนทิศทาง ดังนั้นความหนืดจึงลดลง เมื่อเศษส่วนมวลมากกว่า 0.7% ค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์เชิงเส้นของเส้นตรงที่ได้รับจะลดลง (ประมาณ 0.98) และ n เริ่มผันผวนหรือเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้น เมื่อเศษส่วนมวลถึง 3% (รูปที่ 2) ตาราง ความหนืดปรากฏจะเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลงตามการเพิ่มขึ้นของอัตราเฉือน ปรากฏการณ์ชุดนี้แตกต่างจากรายงานเกี่ยวกับสารละลายโพลีเมอร์ประจุลบและประจุบวกอื่นๆ ค่า n เพิ่มขึ้น กล่าวคือ สมบัติที่ไม่ใช่ของนิวตันอ่อนลง ของไหลของนิวตันเป็นของเหลวที่มีความหนืด และการเลื่อนหลุดระหว่างโมเลกุลเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของความเค้นเฉือน และไม่สามารถกู้คืนได้ ของไหลที่ไม่ใช่ของนิวตันประกอบด้วยส่วนที่ยืดหยุ่นและส่วนที่เหนียวที่ไม่สามารถคืนสภาพได้ ภายใต้การกระทำของความเค้นเฉือน การเลื่อนระหว่างโมเลกุลที่ไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมได้เกิดขึ้น และในเวลาเดียวกัน เนื่องจากโมเลกุลขนาดใหญ่ถูกยืดออกและหันไปตามแรงเฉือน จึงเกิดส่วนที่ยืดหยุ่นที่สามารถคืนสภาพได้ เมื่อแรงภายนอกถูกกำจัดออกไป โมเลกุลขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะกลับคืนสู่รูปแบบโค้งงอแบบเดิม ดังนั้นค่าของ n จะเพิ่มขึ้น ความเข้มข้นยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างโครงสร้างเครือข่าย เมื่อความเค้นเฉือนมีน้อย มันจะไม่ถูกทำลาย และจะเกิดขึ้นเฉพาะการเสียรูปแบบยืดหยุ่นเท่านั้น ในเวลานี้ ความยืดหยุ่นจะเพิ่มขึ้นค่อนข้าง ความหนืดจะลดลง และค่าของ n จะลดลง ในขณะที่ความเค้นเฉือนจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นในระหว่างกระบวนการวัด ดังนั้นค่า n จึงผันผวน เมื่อเศษส่วนของมวลถึง 3% ความหนืดที่ปรากฏจะเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลง เนื่องจากแรงเฉือนขนาดเล็กส่งเสริมการชนกันของโมเลกุลขนาดใหญ่เพื่อสร้างมวลรวมขนาดใหญ่ ดังนั้นความหนืดจึงเพิ่มขึ้น และความเค้นเฉือนยังคงทำให้มวลรวมแตก ความหนืดก็จะลดลงอีกครั้ง

ในการตรวจสอบ thixotropy ให้ตั้งค่าความเร็ว (r/min) เพื่อให้ได้ y ที่ต้องการ เพิ่มความเร็วเป็นระยะๆ จนกระทั่งถึงค่าที่ตั้งไว้ จากนั้นจึงลดความเร็วสูงสุดกลับเป็นค่าเริ่มต้นอย่างรวดเร็วเพื่อให้ได้ค่าที่สอดคล้องกัน ความเครียดเฉือน ความสัมพันธ์กับอัตราเฉือนจะแสดงในรูปที่ 3 เมื่อเศษส่วนมวลน้อยกว่า 2.5% เส้นโค้งขึ้นและเส้นโค้งลงจะทับซ้อนกันอย่างสมบูรณ์ แต่เมื่อเศษส่วนมวลเท่ากับ 3% เส้นทั้งสองจะไม่ มีการทับซ้อนกันอีกต่อไป และเส้นลงล่างล่าช้า บ่งบอกถึง thixotropy

การขึ้นต่อกันของเวลาของความเค้นเฉือนเรียกว่าความต้านทานรีโอโลยี ความต้านทานต่อรีโอโลจีเป็นพฤติกรรมเฉพาะของของเหลวและของเหลวที่มีความหนืดหนืดซึ่งมีโครงสร้างไทโซโทรปิก พบว่ายิ่งค่า y มากอยู่ที่เศษส่วนมวลเท่ากัน r ก็จะถึงจุดสมดุลเร็วขึ้น และการพึ่งพาเวลาก็จะน้อยลง ที่เศษส่วนมวลต่ำกว่า (<2%) CCE จะไม่แสดงความต้านทานทางรีโอโลยี เมื่อเศษส่วนของมวลเพิ่มขึ้นเป็น 2.5% มันจะแสดงการขึ้นอยู่กับเวลาอย่างมาก (รูปที่ 4) และจะใช้เวลาประมาณ 10 นาทีจึงจะถึงจุดสมดุล ในขณะที่ที่ 3.0% เวลาของสมดุลจะใช้เวลา 50 นาที thixotropy ที่ดีของระบบเอื้อต่อการใช้งานจริง

2.2.2 ผลกระทบของความหนาแน่นประจุ:เลือกรูปแบบลอการิทึมของสูตรเชิงประจักษ์ Spencer-Dillon ซึ่งมีความหนืดเป็นศูนย์ตัด b คงที่ที่ความเข้มข้นเท่ากันและอุณหภูมิต่างกัน และเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นที่อุณหภูมิเดียวกัน ตามสมการกฎกำลังที่ Onogi นำมาใช้ในปี 1966 M คือมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ของโพลีเมอร์ A และ B เป็นค่าคงที่ และ c คือเศษส่วนของมวล (%) มะเดื่อ-5 เส้นโค้งทั้งสามมีจุดเปลี่ยนที่ชัดเจนประมาณ 0.6% กล่าวคือ มีเศษส่วนมวลวิกฤต มากกว่า 0.6% ความหนืดแบบเฉือนเป็นศูนย์จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อความเข้มข้น C เพิ่มขึ้น เส้นโค้งของตัวอย่างทั้งสามที่มีความหนาแน่นประจุต่างกันจะใกล้เคียงกันมาก ในทางตรงกันข้าม เมื่อเศษส่วนของมวลอยู่ระหว่าง 0.2% ถึง 0.8% ความหนืดแบบศูนย์คัทของตัวอย่าง LR ที่มีความหนาแน่นประจุน้อยที่สุดจะมีค่ามากที่สุด เนื่องจากการเชื่อมโยงพันธะไฮโดรเจนจำเป็นต้องมีการสัมผัสบางอย่าง ดังนั้นความหนาแน่นของประจุจึงมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับว่าสามารถจัดเรียงโมเลกุลขนาดใหญ่ในลักษณะที่เป็นระเบียบและกะทัดรัดได้หรือไม่ จากการทดสอบ DSC พบว่า LR มีพีคของการตกผลึกที่อ่อนแอ ซึ่งบ่งบอกถึงความหนาแน่นประจุที่เหมาะสม และความหนืดแบบเฉือนเป็นศูนย์จะสูงกว่าที่ความเข้มข้นเดียวกัน เมื่อเศษส่วนมวลน้อยกว่า 0.2% LR จะมีค่าน้อยที่สุด เนื่องจากในสารละลายเจือจาง โมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีความหนาแน่นประจุต่ำมีแนวโน้มที่จะก่อตัวเป็นแนวคอยล์ ดังนั้น ความหนืดแบบเฉือนเป็นศูนย์จึงต่ำ สิ่งนี้มีความสำคัญเป็นแนวทางที่ดีในแง่ของประสิทธิภาพการเพิ่มความหนา

2.2.3 ผลต่อค่า pH: รูปที่ 6 คือผลลัพธ์ที่วัดที่ pH ต่างกันภายในช่วงเศษส่วนมวล 0.05% ถึง 2.5% มีจุดเปลี่ยนประมาณ 0.45% แต่เส้นโค้งทั้งสามเกือบจะทับซ้อนกัน ซึ่งบ่งชี้ว่า pH ไม่มีผลกระทบที่ชัดเจนต่อความหนืดแบบเฉือนเป็นศูนย์ ซึ่งค่อนข้างแตกต่างจากความไวของอีเทอร์เซลลูโลสประจุลบต่อ pH

3. บทสรุป

LLS ศึกษาสารละลายน้ำเจือจาง KG-30M และการกระจายรัศมีอุทกพลศาสตร์ที่ได้รับคือพีคเดียว จากการพึ่งพามุมและอัตราส่วน Rg/Rb สรุปได้ว่ารูปร่างของมันใกล้เคียงกับทรงกลม แต่ไม่สม่ำเสมอเพียงพอ สำหรับสารละลาย CCE ที่มีความหนาแน่นประจุสามระดับ ความหนืดจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้น แต่จำนวนการล่าสัตว์ของนิวตันลดลงในช่วงแรก จากนั้นจึงผันผวนและเพิ่มขึ้นด้วยซ้ำ ค่า pH มีผลเพียงเล็กน้อยต่อความหนืด และความหนาแน่นของประจุปานกลางจะทำให้ได้ความหนืดสูงขึ้น