Властивості розчину ефіру катіонної целюлози

Властивості розбавленого розчину катіонного ефіру целюлози з високою щільністю заряду (KG-30M) при різних значеннях рН досліджували за допомогою приладу лазерного розсіювання за гідродинамічним радіусом (Rh) під різними кутами та середньоквадратичним радіусом обертання. Rg Співвідношення Rh означає, що його форма неправильна, але близька до сферичної. Потім за допомогою реометра детально досліджували три концентровані розчини катіонних ефірів целюлози з різною щільністю заряду та обговорювали вплив концентрації, значення рН і власної щільності заряду на його реологічні властивості. Із збільшенням концентрації показник Ньютона спочатку зменшувався, а потім зменшувався. Відбувається коливання або навіть відскок, і тиксотропна поведінка виникає при 3% (масова частка). Помірна щільність заряду є корисною для отримання вищої в’язкості при нульовому зсуві, а рН мало впливає на його в’язкість.

Ключові слова:катіонний ефір целюлози; морфологія; в'язкість при нульовому зсуві; реології

Похідні целюлози та їх модифіковані функціональні полімери широко використовуються в галузі фізіологічної та санітарної продукції, нафтохімії, медицини, продуктів харчування, засобів особистої гігієни, упаковки тощо. Водорозчинний катіонний ефір целюлози (CCE) завдяки своєму сильному загущенню здатність, він широко використовується в щоденних хімікатах, особливо в шампунях, і може покращити розчісування волосся після миття голови. У той же час, завдяки гарній сумісності, його можна використовувати в шампунях «два в одному» і «все в одному». Він також має хороші перспективи застосування і привернув увагу різних країн. У літературі повідомлялося, що розчини похідних целюлози демонструють такі поведінки, як ньютонівська рідина, псевдопластична рідина, тиксотропна рідина та в’язкопружна рідина зі збільшенням концентрації, але морфологія, реологія та фактори впливу катіонного ефіру целюлози у водному розчині є небагато. звіти про дослідження. Ця стаття зосереджена на реологічній поведінці водного розчину целюлози, модифікованої четвертинним амонієм, з метою надання довідкового матеріалу для практичного застосування.

1. Експериментальна частина

1.1 Сировина

Катіонний ефір целюлози (КГ-30М, ЖР-30М, ЛР-30М); Канадський продукт Dow Chemical Company, наданий Procter & Gamble Company Kobe R&D Center в Японії, виміряний елементним аналізатором Vario EL (німецька компанія Elemental), зразок Вміст азоту становить 2,7%, 1,8%, 1,0% відповідно (щільність заряду становить 1,9 Мекв/г, 1,25 Мекв/г, 0,7 Мекв/г відповідно), і він протестований німецьким приладом лазерного розсіювання світла ALV-5000E (LLS), який виміряв його середньомасову молекулярну масу приблизно 1,64×106 г/моль.

1.2 Приготування розчину

Зразок очищали шляхом фільтрування, діалізу та ліофільної сушки. Зважте серію з трьох кількісних зразків відповідно та додайте стандартний буферний розчин з рН 4,00, 6,86, 9,18 для приготування необхідної концентрації. Щоб переконатися, що зразки були повністю розчинені, всі розчини зразків поміщали на магнітну мішалку на 48 годин перед тестуванням.

1.3 Вимірювання розсіювання світла

Використовуйте LLS для вимірювання середньомасової молекулярної маси зразка в розбавленому водному розчині, гідродинамічного радіуса та середньоквадратичного радіуса обертання при другому коефіцієнті Віллі та різних кутах), і зробіть висновок, що цей катіонний ефір целюлози знаходиться в водний розчин за його співвідношенням.

1.4 Вимірювання в'язкості та реологічні дослідження

Концентрований розчин CCE досліджували за допомогою реометра Brookfield RVDV-III+, а також досліджували вплив концентрації, щільності заряду та значення рН на реологічні властивості, такі як в’язкість зразка. При більш високих концентраціях необхідно досліджувати його тиксотропність.

2. Результати та їх обговорення

2.1 Дослідження розсіювання світла

Через свою особливу молекулярну структуру, навіть у хорошому розчиннику важко існувати у вигляді однієї молекули, а у вигляді певних стабільних міцел, кластерів або асоціацій.

Коли розведений водний розчин (~0,1%) CCE спостерігали за допомогою поляризаційного мікроскопа, під фоном ортогонального поля чорного хреста з’являлися «зіркові» яскраві плями та яскраві смуги. Він також характеризується розсіюванням світла, динамічним гідродинамічним радіусом при різних рН і кутах, середньоквадратичним радіусом обертання та другим коефіцієнтом Віллі, отриманим із діаграми Беррі, наведено в табл. 1. Графік розподілу функції гідродинамічного радіуса, отриманий при концентрації 10-5, в основному є одним піком, але розподіл дуже широкий (рис. 1), що вказує на наявність асоціацій на молекулярному рівні та великих агрегатів у системі ; Є зміни, і всі значення Rg/Rb становлять близько 0,775, що вказує на те, що форма CCE у розчині близька до сферичної, але недостатньо регулярна. Вплив pH на Rb і Rg неочевидний. Протиіон у буферному розчині взаємодіє з CCE, щоб захистити заряд на його бічному ланцюзі та змусити його стиснутися, але різниця залежить від типу протиіона. Вимірювання розсіювання світла заряджених полімерів чутливе до дії сил на великій відстані та зовнішнього втручання, тому існують певні похибки та обмеження в характеристиці LLS. Коли масова частка перевищує 0,02%, на діаграмі розподілу Rh здебільшого присутні нероздільні подвійні піки або навіть кілька піків. Зі збільшенням концентрації Rh також збільшується, що вказує на те, що більше макромолекул пов’язано або навіть агреговано. Коли Cao та ін. використовував розсіювання світла для вивчення кополімеру карбоксиметилцелюлози та поверхнево-активних макромерів, були також нероздільні подвійні піки, один з яких був між 30 нм і 100 нм, що представляло утворення міцел на молекулярному рівні, а інший Пік Rh відносно великий, який вважається сукупністю, що подібне до результатів, визначених у цій статті.

2.2 Дослідження реологічної поведінки

2.2.1 Вплив концентрації:Виміряйте уявну в'язкість розчинів KG-30M з різними концентраціями при різних швидкостях зсуву, а також відповідно до логарифмічної форми степеневого рівняння, запропонованого Оствальдом-Девале, коли масова частка не перевищує 0,7%, і серії прямих ліній з лінійними коефіцієнтами кореляції більше 0,99. І зі збільшенням концентрації значення показника Ньютона n зменшується (усі менше 1), демонструючи очевидну псевдопластичну рідину. Під дією сили зсуву макромолекулярні ланцюги починають розплутуватися та орієнтуватися, тому в’язкість зменшується. Коли масова частка перевищує 0,7%, лінійний коефіцієнт кореляції отриманої прямої зменшується (близько 0,98), а n починає коливатися або навіть зростати зі збільшенням концентрації; коли масова частка досягає 3% (рис. 2), таблиця Уявна в’язкість спочатку зростає, а потім зменшується зі збільшенням швидкості зсуву. Ця серія явищ відрізняється від повідомлень про інші аніонні та катіонні полімерні розчини. Значення n зростає, тобто неньютонівська властивість послаблюється; Ньютонівська рідина є в'язкою рідиною, і міжмолекулярне ковзання відбувається під дією напруги зсуву, і її неможливо відновити; неньютонівська рідина містить пружну частину, яку можна відновити, і в’язку частину, яку не можна відновити. Під дією напруги зсуву відбувається необоротне ковзання між молекулами, і в той же час, оскільки макромолекули розтягуються і орієнтуються зсувом, утворюється відновлювана еластична частина. Коли зовнішня сила припиняється, макромолекули прагнуть повернутися до початкової згорнутої форми, тому значення n зростає. Концентрація продовжує зростати, утворюючи структуру мережі. Коли напруга зсуву невелика, вона не буде зруйнована, і відбудеться лише пружна деформація. У цей час пружність буде відносно посилена, в'язкість буде послаблена, а значення n зменшиться; тоді як напруга зсуву поступово зростає під час процесу вимірювання, тому n Значення коливається. Коли масова частка досягає 3%, уявна в'язкість спочатку збільшується, а потім зменшується, оскільки малий зсув сприяє зіткненню макромолекул з утворенням великих агрегатів, тому в'язкість зростає, а напруга зсуву продовжує розбивати агрегати. , в’язкість знову зменшиться.

Під час дослідження тиксотропії встановіть швидкість (об/хв), щоб досягти бажаного значення y, збільшуйте швидкість через регулярні проміжки часу, доки вона не досягне встановленого значення, а потім швидко зменште максимальну швидкість назад до початкового значення, щоб отримати відповідне значення. Напруження зсуву, його зв’язок зі швидкістю зсуву показано на рис. 3. Коли масова частка становить менше 2,5%, висхідна крива та низхідна крива повністю перекриваються, але коли масова частка становить 3%, дві лінії немає довше перекриття, а низхідна лінія відстає, що вказує на тиксотропію.

Часова залежність напруги зсуву відома як реологічний опір. Реологічний опір - це характерна поведінка в'язкопружних рідин і рідин з тиксотропною структурою. Виявлено, що чим більше y при однаковій масовій частці, тим швидше r досягає рівноваги, і залежність від часу менша; при меншій масовій частці (<2%) CCE не виявляє реологічної стійкості. Коли масова частка збільшується до 2,5%, вона демонструє сильну залежність від часу (рис. 4), і для досягнення рівноваги потрібно приблизно 10 хвилин, тоді як при 3,0% час рівноваги займає 50 хвилин. Хороша тиксотропія системи сприяє практичному застосуванню.

2.2.2 Вплив щільності заряду:вибрано логарифмічну форму емпіричної формули Спенсера-Ділона, в якій в’язкість нульового значення b є постійною при тій самій концентрації та різній температурі та зростає зі збільшенням концентрації при тій же температурі. Згідно зі степеневим рівнянням, прийнятим Оногі в 1966 році, M — відносна молекулярна маса полімеру, A і B — константи, а c — масова частка (%). Рис.5 Три криві мають очевидні точки перегину близько 0,6%, тобто існує критична масова частка. Більш ніж на 0,6%, в'язкість при нульовому зсуві швидко зростає зі збільшенням концентрації C. Криві трьох зразків з різною щільністю заряду дуже близькі. Навпаки, коли масова частка становить від 0,2% до 0,8%, в’язкість нульового відрізу зразка LR з найменшою щільністю заряду є найбільшою, оскільки асоціація водневого зв’язку вимагає певного контакту. Таким чином, щільність заряду тісно пов’язана з тим, чи макромолекули можуть бути організовані впорядкованим і компактним чином; за допомогою тестування ДСК виявлено, що LR має слабкий пік кристалізації, що вказує на відповідну щільність заряду, а в’язкість при нульовому зсуві вища за тієї самої концентрації. Коли масова частка становить менше 0,2%, LR є найменшим, тому що в розведеному розчині макромолекули з низькою щільністю заряду, швидше за все, утворюють клубоподібну орієнтацію, тому в’язкість при нульовому зсуві низька. Це має важливе керівне значення з точки зору ефективності згущення.

2.2.3 Ефект pH: На фіг. 6 наведено результат, виміряний при різному рН у межах від 0,05% до 2,5% масової частки. Існує точка перегину близько 0,45%, але три криві майже перекриваються, що вказує на те, що рН не має очевидного впливу на в’язкість при нульовому зсуві, яка суттєво відрізняється від чутливості аніонного ефіру целюлози до рН.

3. Висновок

Розведений водний розчин KG-30M досліджується LLS, і отриманий розподіл гідродинамічного радіуса є одним піком. З кутової залежності та співвідношення Rg/Rb можна зробити висновок, що його форма близька до сферичної, але недостатньо правильна. Для розчинів CCE з трьома густинами заряду в'язкість зростає зі збільшенням концентрації, але число Гантинга Ньютона n спочатку зменшується, потім коливається і навіть зростає; РН мало впливає на в'язкість, і помірна щільність заряду може отримати вищу в'язкість.