Який зв'язок між DS і молекулярною масою натрію CMC?

Натрій карбоксиметилцелюлоза (CMC) — це універсальний водорозчинний полімер, отриманий з целюлози, природного полісахариду, який міститься в клітинних стінках рослин. Він широко використовується в різних галузях промисловості, включаючи харчову, фармацевтичну, косметичну, текстильну та нафтову буріння, завдяки своїм унікальним властивостям і функціям.

Структура та властивості натрієвої КМЦ:

CMC синтезується шляхом хімічної модифікації целюлози, при якій карбоксиметильні групи (-CH2-COOH) вводяться в целюлозний скелет через реакції етерифікації або етерифікації. Ступінь заміщення (DS) відноситься до середньої кількості карбоксиметильних груп на одиницю глюкози в целюлозному ланцюгу. Значення DS зазвичай коливаються від 0,2 до 1,5 залежно від умов синтезу та бажаних властивостей CMC.

Молекулярна маса CMC відноситься до середнього розміру полімерних ланцюгів і може значно змінюватися залежно від таких факторів, як джерело целюлози, метод синтезу, умови реакції та методи очищення. Молекулярна маса часто характеризується такими параметрами, як середньочислова молекулярна маса (Mn), середньомасова молекулярна маса (Mw) і середньов’язка молекулярна маса (Mv).

Синтез натрієвої КМЦ:

Синтез CMC зазвичай включає реакцію целюлози з гідроксидом натрію (NaOH) і хлороцтовою кислотою (ClCH2COOH) або її натрієвою сіллю (NaClCH2COOH). Реакція проходить шляхом нуклеофільного заміщення, де гідроксильні групи (-OH) на целюлозному скелі реагують з хлорацетильними групами (-ClCH2COOH) з утворенням карбоксиметильних груп (-CH2-COOH).

DS CMC можна контролювати, регулюючи молярне співвідношення хлороцтової кислоти до целюлози, час реакції, температуру, pH та інші параметри під час синтезу. Більш високі значення DS зазвичай досягаються при більш високих концентраціях хлороцтової кислоти та більш тривалому часі реакції.

На молекулярну масу CMC впливають різні фактори, включаючи розподіл молекулярної маси вихідного целюлозного матеріалу, ступінь деградації під час синтезу та ступінь полімеризації ланцюгів CMC. Різні методи синтезу та умови реакції можуть призвести до КМЦ із різним розподілом молекулярної маси та середніми розмірами.

Зв'язок між DS і молекулярною масою:

Зв’язок між ступенем заміщення (DS) і молекулярною масою натрійкарбоксиметилцелюлози (CMC) є складним і залежить від багатьох факторів, пов’язаних із синтезом, структурою та властивостями CMC.

1. Вплив DS на молекулярну масу:
   • Вищі значення DS зазвичай відповідають нижчим молекулярним вагам CMC. Це пов’язано з тим, що вищі значення DS вказують на більший ступінь заміщення карбоксиметильних груп у целюлозному скелі, що призводить до коротших полімерних ланцюгів і нижчої молекулярної маси в середньому.
   • Введення карбоксиметильних груп порушує міжмолекулярний водневий зв’язок між ланцюгами целюлози, що призводить до розриву та фрагментації ланцюга під час синтезу. Цей процес деградації може призвести до зменшення молекулярної маси CMC, особливо при більш високих значеннях DS і більш інтенсивних реакціях.
   • І навпаки, нижчі значення DS пов’язані з довшими полімерними ланцюгами та вищими молекулярними вагами в середньому. Це пояснюється тим, що нижчі ступені заміщення призводять до меншої кількості карбоксиметильних груп на одиницю глюкози, що дозволяє довшим сегментам немодифікованих целюлозних ланцюгів залишатися недоторканими.
2. Вплив молекулярної маси на DS:
   • Молекулярна маса CMC може впливати на ступінь заміщення, що досягається під час синтезу. Вищі молекулярні маси целюлози можуть забезпечити більш реакційноздатні центри для реакцій карбоксиметилювання, дозволяючи досягти вищого ступеня заміщення за певних умов.
   • Однак надмірно висока молекулярна маса целюлози також може перешкоджати доступності гідроксильних груп для реакцій заміщення, що призводить до неповного або неефективного карбоксиметилювання та зниження значень DS.
   • Крім того, розподіл молекулярної маси вихідного целюлозного матеріалу може впливати на розподіл значень DS в отриманому продукті CMC. Неоднорідності в молекулярній масі можуть призвести до змін у реакційній здатності та ефективності заміщення під час синтезу, що призводить до ширшого діапазону значень DS у кінцевому продукті CMC.

Вплив DS та молекулярної маси на властивості CMC та застосування:

1. Реологічні властивості:
   • Ступінь заміщення (DS) і молекулярна маса КМЦ можуть впливати на її реологічні властивості, включаючи в'язкість, розрідження при зсуві та утворення гелю.
   • Більш високі значення DS зазвичай призводять до нижчої в’язкості та більшої псевдопластичності (потоншення при зсуві) завдяки коротшим полімерним ланцюгам і зниженому молекулярному заплутуванню.
   • І навпаки, нижчі значення DS і вищі молекулярні маси, як правило, збільшують в’язкість і покращують псевдопластичну поведінку розчинів КМЦ, що призводить до покращення властивостей загущення та суспензії.
2. Розчинність у воді та набухання:
   • КМЦ з більш високими значеннями DS має тенденцію демонструвати більшу розчинність у воді та більш швидкі швидкості гідратації через більшу концентрацію гідрофільних карбоксиметильних груп уздовж полімерних ланцюгів.
   • Однак надмірно високі значення DS можуть також призвести до зниження розчинності у воді та збільшення утворення гелю, особливо при високих концентраціях або в присутності багатовалентних катіонів.
   • Молекулярна маса КМЦ може впливати на її набухання та властивості утримання води. Вищі молекулярні маси, як правило, призводять до повільніших швидкостей гідратації та більшої здатності утримувати воду, що може бути корисним у застосуваннях, які вимагають тривалого вивільнення або контролю вологи.
3. Плівкоутворювальні та бар'єрні властивості:
   • Плівки КМЦ, сформовані з розчинів або дисперсій, виявляють бар’єрні властивості проти кисню, вологи та інших газів, що робить їх придатними для упаковки та нанесення покриттів.
   • DS і молекулярна маса CMC можуть впливати на механічну міцність, гнучкість і проникність отриманих плівок. Більш високі значення DS і менші молекулярні маси можуть призвести до плівок з нижчою міцністю на розрив і вищою проникністю через коротші полімерні ланцюги та знижені міжмолекулярні взаємодії.
4. Застосування в різних галузях промисловості:
   • КМЦ з різними значеннями DS і молекулярною масою знаходять застосування в різних галузях промисловості, включаючи харчову, фармацевтичну, косметичну, текстильну та нафтову буріння.
   • У харчовій промисловості CMC використовується як загусник, стабілізатор і емульгатор у таких продуктах, як соуси, заправки та напої. Вибір сорту CMC залежить від бажаної текстури, смакових якостей і вимог до стабільності кінцевого продукту.
   • У фармацевтичних композиціях КМЦ служить сполучною речовиною, дезінтегрантом і плівкоутворюючим агентом у таблетках, капсулах і пероральних суспензіях. DS і молекулярна маса CMC можуть впливати на кінетику вивільнення ліків, біодоступність і дотримання пацієнтом режиму лікування.
   • У косметичній промисловості CMC використовується в кремах, лосьйонах і продуктах по догляду за волоссям як загусник, стабілізатор і зволожувач. Вибір сорту CMC залежить від таких факторів, як текстура, здатність до розтікання та сенсорні властивості.
   • У промисловості буріння нафти CMC використовується в бурових розчинах як загущувач, засіб для контролю втрат рідини та інгібітор сланцю. DS і молекулярна маса КМЦ можуть впливати на його ефективність у підтримці стабільності стовбура свердловини, контролі втрати рідини та інгібуванні набухання глини.

Висновок:

Зв’язок між ступенем заміщення (DS) і молекулярною масою натрійкарбоксиметилцелюлози (CMC) є складним і залежить від багатьох факторів, пов’язаних із синтезом, структурою та властивостями CMC. Вищі значення DS зазвичай відповідають нижчим молекулярним вагам КМЦ, тоді як нижчі значення DS і вищі молекулярні ваги, як правило, призводять до більш довгих полімерних ланцюгів і вищих молекулярних мас у середньому. Розуміння цього зв’язку має вирішальне значення для оптимізації властивостей і продуктивності CMC у різних галузях промисловості, включаючи харчову, фармацевтичну, косметичну, текстильну та нафтову буріння. Потрібні подальші дослідження та розробки, щоб з’ясувати механізми, що лежать в основі, і оптимізувати синтез і характеристику КМЦ із спеціальним DS і розподілом молекулярної маси для конкретних застосувань.