Mga Katangian ng Cationic Cellulose Ether Solution

Ang dilute solution properties ng high-charge-density cationic cellulose ether (KG-30M) sa iba't ibang pH value ay pinag-aralan gamit ang laser scattering instrument, mula sa hydrodynamic radius (Rh) sa iba't ibang anggulo, at ang root mean square radius ng pag-ikot Rg Ang ratio sa Rh ay nagpapahiwatig na ang hugis nito ay hindi regular ngunit malapit sa spherical. Pagkatapos, sa tulong ng rheometer, tatlong puro solusyon ng cationic cellulose ethers na may iba't ibang density ng singil ay pinag-aralan nang detalyado, at ang impluwensya ng konsentrasyon, halaga ng pH at sarili nitong density ng singil sa mga rheological na katangian nito ay tinalakay. Habang tumataas ang konsentrasyon, unang bumaba ang exponent ni Newton at pagkatapos ay bumaba. Ang pagbabagu-bago o kahit na rebound ay nangyayari, at ang thixotropic na pag-uugali ay nangyayari sa 3% (mass fraction). Ang katamtamang density ng singil ay kapaki-pakinabang upang makakuha ng mas mataas na zero-shear viscosity, at ang pH ay may maliit na epekto sa lagkit nito.

Susing salita:cationic cellulose eter; morpolohiya; zero shear lagkit; rheology

Ang mga cellulose derivatives at ang kanilang mga binagong functional polymers ay malawakang ginagamit sa larangan ng mga physiological at sanitary na produkto, petrochemical, gamot, pagkain, mga produkto ng personal na pangangalaga, packaging, atbp. Ang natutunaw sa tubig na cationic cellulose ether (CCE) ay dahil sa may malakas na pampalapot kakayahan, ito ay malawakang ginagamit sa pang-araw-araw na mga kemikal, lalo na sa mga shampoo, at maaaring mapabuti ang combability ng buhok pagkatapos ng shampooing. Kasabay nito, dahil sa magandang compatibility nito, maaari itong magamit sa two-in-one at all-in-one na shampoo. Mayroon din itong magandang pag-asam sa aplikasyon at nakakuha ng atensyon ng iba't ibang bansa. Naiulat sa literatura na ang mga solusyon sa derivative ng cellulose ay nagpapakita ng mga pag-uugali tulad ng Newtonian fluid, pseudoplastic fluid, thixotropic fluid at viscoelastic fluid na may pagtaas ng konsentrasyon, ngunit ang morpolohiya, rheology at nakakaimpluwensyang mga kadahilanan ng cationic cellulose eter sa aqueous solution Mayroong ilang mga ulat ng pananaliksik. Nakatuon ang papel na ito sa rheological na pag-uugali ng quaternary ammonium modified cellulose aqueous solution, upang makapagbigay ng sanggunian para sa praktikal na aplikasyon.

1. Eksperimental na bahagi

1.1 Hilaw na materyales

Cationic cellulose eter (KG-30M, JR-30M, LR-30M); Ang produkto ng Canada Dow Chemical Company, na ibinigay ng Procter & Gamble Company Kobe R&D Center sa Japan, na sinusukat ng Vario EL elemental analyzer (German Elemental Company), ang sample Ang nilalaman ng nitrogen ay 2.7%, 1.8%, 1.0% ayon sa pagkakabanggit (ang density ng singil ay 1.9 Meq/g, 1.25 Meq/g, 0.7 Meq/g ayon sa pagkakabanggit), at ito ay nasubok ng German ALV-5000E laser light Ang scattering instrument (LLS) ay sinusukat ang average na timbang ng molekular nito ay humigit-kumulang 1.64×106g/mol.

1.2 Paghahanda ng solusyon

Ang sample ay dinalisay sa pamamagitan ng pagsasala, dialysis at freeze-drying. Timbangin ang isang serye ng tatlong quantitative sample ayon sa pagkakabanggit, at magdagdag ng karaniwang buffer solution na may pH 4.00, 6.86, 9.18 upang ihanda ang kinakailangang konsentrasyon. Upang matiyak na ang mga sample ay ganap na natunaw, ang lahat ng mga sample na solusyon ay inilagay sa isang magnetic stirrer sa loob ng 48 oras bago ang pagsubok.

1.3 Pagsusukat ng light scattering

Gamitin ang LLS para sukatin ang weight-average na molekular na bigat ng sample sa dilute aqueous solution,, ang hydrodynamic radius at ang root mean square radius ng rotation kapag ang pangalawang Villi coefficient at magkaibang anggulo,), at ipahiwatig na ang cationic cellulose eter na ito ay nasa ang may tubig na solusyon sa pamamagitan ng katayuan ng ratio nito.

1.4 Pagsusukat ng lagkit at pagsisiyasat ng rheolohiko

Ang concentrated CCE solution ay pinag-aralan ng Brookfield RVDV-III+ rheometer, at ang impluwensya ng konsentrasyon, density ng singil at halaga ng pH sa mga rheological na katangian tulad ng sample viscosity ay sinisiyasat. Sa mas mataas na konsentrasyon, kinakailangan upang siyasatin ang thixotropy nito.

2. Mga resulta at talakayan

2.1 Pananaliksik sa Light Scattering

Dahil sa espesyal na istraktura ng molekular nito, mahirap na umiral sa anyo ng isang solong molekula kahit na sa isang mahusay na solvent, ngunit sa anyo ng ilang mga matatag na micelles, kumpol o asosasyon.

Kapag ang dilute aqueous solution (~o.1%) ng CCE ay naobserbahan gamit ang isang polarizing microscope, sa ilalim ng background ng black cross orthogonal field, lumitaw ang mga "star" na maliliwanag na spot at maliliwanag na bar. Ito ay higit na nailalarawan sa pamamagitan ng light scattering, ang dynamic na hydrodynamic radius sa iba't ibang pH at anggulo, ang root mean square radius ng pag-ikot at ang pangalawang Villi coefficient na nakuha mula sa Berry diagram ay nakalista sa Tab. 1. Ang distribution graph ng hydrodynamic radius function na nakuha sa isang konsentrasyon na 10-5 ay higit sa lahat ay isang solong peak, ngunit ang distribution ay napakalawak (Fig. 1), na nagpapahiwatig na may mga molekular-level na asosasyon at malalaking aggregates sa system ; May mga pagbabago, at ang mga halaga ng Rg/Rb ay nasa paligid ng 0.775, na nagpapahiwatig na ang hugis ng CCE sa solusyon ay malapit sa spherical, ngunit hindi sapat na regular. Ang epekto ng pH sa Rb at Rg ay hindi halata. Ang counterion sa buffer solution ay nakikipag-ugnayan sa CCE upang protektahan ang charge sa side chain nito at gawin itong lumiit, ngunit ang pagkakaiba ay nag-iiba sa uri ng counterion. Ang light scattering na pagsukat ng mga naka-charge na polymer ay madaling kapitan sa long-range force interaction at external interference, kaya may ilang partikular na error at limitasyon sa LLS characterization. Kapag ang mass fraction ay mas malaki sa 0.02%, karamihan ay may mga hindi mapaghihiwalay na double peak o kahit na maramihang peak sa Rh distribution diagram. Habang tumataas ang konsentrasyon, tumataas din ang Rh, na nagpapahiwatig na mas maraming macromolecules ang nauugnay o pinagsasama-sama pa nga. Kapag Cao et al. gumamit ng light scattering upang pag-aralan ang copolymer ng carboxymethyl cellulose at surface-active macromers, mayroon ding mga hindi mapaghihiwalay na double peak, isa sa mga ito ay nasa pagitan ng 30nm at 100nm, na kumakatawan sa pagbuo ng mga micelles sa antas ng molekular, at ang isa Ang peak Rh ay medyo malaki, na itinuturing na isang pinagsama-samang, na katulad ng mga resulta na tinutukoy sa papel na ito.

2.2 Pananaliksik sa rheological behavior

2.2.1 Epekto ng konsentrasyon:Sukatin ang maliwanag na lagkit ng mga solusyon sa KG-30M na may iba't ibang mga konsentrasyon sa iba't ibang mga rate ng paggugupit, at ayon sa logarithmic na anyo ng equation ng batas ng kapangyarihan na iminungkahi ng Ostwald-Dewaele, kapag ang mass fraction ay hindi lalampas sa 0.7% , at isang serye ng mga tuwid na linya na may mga linear correlation coefficient na higit sa 0.99 ay nakuha. At habang tumataas ang konsentrasyon, bumababa ang halaga ng exponent n Newton (lahat ng mas mababa sa 1), na nagpapakita ng isang halatang pseudoplastic fluid. Dahil sa puwersa ng paggugupit, ang mga macromolecular chain ay nagsisimulang kumalas at mag-orient, kaya bumababa ang lagkit. Kapag ang mass fraction ay mas malaki kaysa sa 0.7%, ang linear correlation coefficient ng nakuha na tuwid na linya ay bumababa (mga 0.98), at ang n ay nagsisimulang magbago o tumaas pa sa pagtaas ng konsentrasyon; kapag ang mass fraction ay umabot sa 3% (Fig. 2), ang talahanayan Ang maliwanag na lagkit ay unang tumataas at pagkatapos ay bumababa sa pagtaas ng rate ng paggugupit. Ang serye ng mga phenomena na ito ay iba sa mga ulat ng iba pang anionic at cationic polymer solution. Ang n halaga ay tumaas, iyon ay, ang hindi-Newtonian na ari-arian ay humina; Ang Newtonian fluid ay isang malapot na likido, at ang intermolecular slippage ay nangyayari sa ilalim ng pagkilos ng shear stress, at hindi ito mababawi; Ang non-Newtonian fluid ay naglalaman ng isang mababawi na nababanat na bahagi at isang hindi mababawi na malapot na bahagi. Sa ilalim ng pagkilos ng paggugupit ng stress, ang hindi maibabalik na slip sa pagitan ng mga molekula ay nangyayari, at sa parehong oras, dahil ang mga macromolecule ay nakaunat at naka-orient sa paggugupit, isang mababawi na nababanat na bahagi ay nabuo. Kapag ang panlabas na puwersa ay inalis, ang macromolecules ay may posibilidad na bumalik sa orihinal na curled form, kaya Ang halaga ng n ay tumaas. Ang konsentrasyon ay patuloy na tumataas upang bumuo ng isang istraktura ng network. Kapag ang shear stress ay maliit, hindi ito masisira, at ang elastic deformation lamang ang magaganap. Sa oras na ito, ang pagkalastiko ay medyo pinahusay, ang lagkit ay humina, at ang halaga ng n ay bababa; habang ang shear stress ay unti-unting tumataas sa panahon ng proseso ng pagsukat, kaya n Ang halaga ay nagbabago. Kapag ang mass fraction ay umabot sa 3%, ang maliwanag na lagkit ay unang tumataas at pagkatapos ay bumababa, dahil ang maliit na paggugupit ay nagtataguyod ng banggaan ng mga macromolecule upang bumuo ng malalaking aggregates, kaya ang lagkit ay tumataas, at ang paggugupit ng stress ay patuloy na sinisira ang mga pinagsama-samang. , bababa na naman ang lagkit.

Sa pagsisiyasat ng thixotropy, itakda ang bilis (r/min) upang maabot ang nais na y, dagdagan ang bilis sa mga regular na pagitan hanggang sa maabot nito ang itinakdang halaga, at pagkatapos ay mabilis na bumaba mula sa pinakamataas na bilis pabalik sa unang halaga upang makuha ang katumbas na halaga. Ang shear stress, ang kaugnayan nito sa shear rate ay ipinapakita sa Fig. 3. Kapag ang mass fraction ay mas mababa sa 2.5%, ang pataas na curve at ang pababang curve ay ganap na magkakapatong, ngunit kapag ang mass fraction ay 3%, ang dalawang linya ay hindi mas matagal na magkakapatong, at ang pababang linya ay nahuhuli, na nagpapahiwatig ng thixotropy.

Ang time dependence ng shear stress ay kilala bilang rheological resistance. Ang rheological resistance ay isang katangiang pag-uugali ng mga viscoelastic na likido at likido na may mga istrukturang thixotropic. Napag-alaman na ang mas malaking y ay nasa parehong mass fraction, ang mas mabilis na r ay umabot sa ekwilibriyo, at ang pag-asa sa oras ay mas maliit; sa mas mababang bahagi ng masa (<2%), ang CCE ay hindi nagpapakita ng rheological resistance. Kapag ang mass fraction ay tumaas sa 2.5%, ito ay nagpapakita ng isang malakas na pag-asa sa oras (Larawan 4), at ito ay tumatagal ng mga 10 minuto upang maabot ang ekwilibriyo, habang sa 3.0%, ang oras ng ekwilibriyo ay tumatagal ng 50 minuto. Ang magandang thixotropy ng system ay nakakatulong sa praktikal na aplikasyon.

2.2.2 Ang epekto ng density ng singil:ang logarithmic form ng Spencer-Dillon empirical formula ay pinili, kung saan ang zero-cut lagkit, b ay pare-pareho sa parehong konsentrasyon at iba't ibang temperatura, at tumataas sa pagtaas ng konsentrasyon sa parehong temperatura. Ayon sa equation ng batas ng kapangyarihan na pinagtibay ni Onogi noong 1966, ang M ay ang relatibong molekular na masa ng polimer, ang A at B ay mga constant, at ang c ay ang mass fraction (%). Fig.5 Ang tatlong kurba ay may halatang mga inflection point sa paligid ng 0.6%, iyon ay, mayroong isang kritikal na mass fraction. Higit sa 0.6%, ang zero-shear viscosity ay mabilis na tumataas sa pagtaas ng konsentrasyon C. Ang mga kurba ng tatlong sample na may iba't ibang densidad ng singil ay napakalapit. Sa kaibahan, kapag ang mass fraction ay nasa pagitan ng 0.2% at 0.8%, ang zero-cut na lagkit ng sample ng LR na may pinakamaliit na density ng singil ay ang pinakamalaking, dahil ang hydrogen bond association ay nangangailangan ng isang tiyak na contact. Samakatuwid, ang density ng singil ay malapit na nauugnay sa kung ang mga macromolecule ay maaaring ayusin sa isang maayos at compact na paraan; sa pamamagitan ng pagsubok sa DSC, napag-alaman na ang LR ay may mahinang crystallization peak, na nagpapahiwatig ng angkop na density ng singil, at ang zero-shear viscosity ay mas mataas sa parehong konsentrasyon. Kapag ang mass fraction ay mas mababa sa 0.2%, ang LR ang pinakamaliit, dahil sa dilute solution, ang mga macromolecule na may mababang density ng singil ay mas malamang na bumuo ng coil orientation, kaya ang zero-shear viscosity ay mababa. Ito ay may magandang patnubay na kahalagahan sa mga tuntunin ng pagpapalapot ng pagganap.

2.2.3 epekto sa pH: Ang Fig. 6 ay ang resulta na sinusukat sa iba't ibang pH sa loob ng saklaw na 0.05% hanggang 2.5% mass fraction. Mayroong inflection point sa paligid ng 0.45%, ngunit ang tatlong curve ay halos magkakapatong, na nagpapahiwatig na ang pH ay walang halatang epekto sa zero-shear viscosity, na medyo naiiba mula sa sensitivity ng anionic cellulose ether sa pH.

3. Konklusyon

Ang KG-30M dilute aqueous solution ay pinag-aralan ng LLS, at ang hydrodynamic radius distribution na nakuha ay isang solong peak. Mula sa angle dependence at Rg/Rb ratio, mahihinuha na ang hugis nito ay malapit sa spherical, ngunit hindi sapat na regular. Para sa mga solusyon sa CCE na may tatlong densidad ng singil, tumataas ang lagkit sa pagtaas ng konsentrasyon, ngunit ang numero ng pangangaso n Newton ay unang bumababa, pagkatapos ay nagbabago at tumataas pa; Ang pH ay may kaunting epekto sa lagkit, at ang katamtamang densidad ng singil ay maaaring makakuha ng mas mataas na lagkit .