Efecto de los Sustituyentes y el Peso Molecular en las Propiedades Superficiales del Éter de Celulosa No Iónico

Resumen: De acuerdo con la teoría de impregnación de Washburn (Teoría de penetración) y la teoría de combinación de van Oss-Good-Chaudhury (Teoría de combinación) y la aplicación de la tecnología de mecha columnar (Técnica de mecha en columna), varios éteres de celulosa no iónicos, como la metilcelulosa La superficie Se probaron las propiedades de la celulosa, la hidroxipropilcelulosa y la hidroxipropilmetilcelulosa. Debido a los diferentes sustituyentes, grados de sustitución y pesos moleculares de estos éteres de celulosa, sus energías superficiales y sus componentes son significativamente diferentes. Los datos muestran que la base de Lewis del éter de celulosa no iónico es más grande que el ácido de Lewis, y el componente principal de la energía libre superficial es la fuerza de Lifshitz-van der Waals. La energía superficial del hidroxipropilo y su composición son mayores que las del hidroximetilo. Bajo la premisa del mismo sustituyente y grado de sustitución, la energía libre superficial de la hidroxipropilcelulosa es proporcional al peso molecular; mientras que la energía libre superficial de la hidroxipropilmetilcelulosa es proporcional al grado de sustitución e inversamente proporcional al peso molecular. El experimento también encontró que la energía superficial de los sustituyentes hidroxipropil e hidroxipropilmetilo en el éter de celulosa no iónico parece ser mayor que la energía superficial de la celulosa, y el experimento demuestra que la energía superficial de la celulosa probada y su composición Los datos son consistente con la literatura.

Palabras clave: éteres de celulosa no iónicos; sustituyentes y grados de sustitución; peso molecular; propiedades de la superficie; tecnología de mecha

El éter de celulosa es una gran categoría de derivados de celulosa, que se pueden dividir en éteres aniónicos, catiónicos y no iónicos según la estructura química de sus sustituyentes éter. El éter de celulosa es también uno de los primeros productos investigados y producidos en la química de polímeros. Hasta ahora, el éter de celulosa se ha utilizado ampliamente en la industria de la medicina, la higiene, la cosmética y la alimentación.

Aunque los éteres de celulosa, como la hidroximetilcelulosa, la hidroxipropilcelulosa y la hidroxipropilmetilcelulosa, se han producido industrialmente y se han estudiado muchas de sus propiedades, hasta ahora no se ha informado sobre su energía superficial, propiedades reactivas con ácidos y álcalis. Dado que la mayoría de estos productos se utilizan en un entorno líquido, y es probable que las características de la superficie, especialmente las características de la reacción ácido-base, afecten su uso, es muy necesario estudiar y comprender las características químicas de la superficie de este éter de celulosa comercial.

Teniendo en cuenta que las muestras de derivados de celulosa son muy fáciles de cambiar con el cambio de las condiciones de preparación, este trabajo utiliza productos comerciales como muestras para caracterizar su energía superficial y, en base a esto, la influencia de los sustituyentes y pesos moleculares de dichos productos en la superficie. Se estudian las propiedades.

1. Parte experimental

1.1 Materias primas

El éter de celulosa no iónico utilizado en el experimento es el producto de KIMA CHEMICAL CO., LTD, EE. UU. Las muestras no se sometieron a ningún tratamiento antes del ensayo.

Teniendo en cuenta que los derivados de la celulosa están hechos de celulosa, las dos estructuras son cercanas y las propiedades de la superficie de la celulosa se han informado en la literatura, por lo que este documento utiliza la celulosa como muestra estándar. La muestra de celulosa utilizada tenía el nombre de código C8002 y se adquirió de KIMA, CN. La muestra no fue sometida a ningún tratamiento durante el ensayo.

Los reactivos utilizados en el experimento son: etano, diyodometano, agua desionizada, formamida, tolueno, cloroformo. Todos los líquidos eran productos analíticamente puros excepto el agua que estaba disponible comercialmente.

1.2 Método experimental

En este experimento, se adoptó la técnica de mecha de columna y se cortó una sección (aproximadamente 10 cm) de una pipeta estándar con un diámetro interior de 3 mm como tubo de columna. Ponga 200 mg de muestra en polvo en el tubo de la columna cada vez, luego sacúdalo para nivelarlo y colóquelo verticalmente en el fondo del recipiente de vidrio con un diámetro interior de aproximadamente 3 cm, para que el líquido pueda adsorberse espontáneamente. Pesar 1 mL del líquido a probar y ponerlo en un recipiente de vidrio, y registrar el tiempo de inmersión t y la distancia de inmersión X al mismo tiempo. Todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente (25±1°C). Cada dato es el promedio de tres experimentos repetidos.

1.3 Cálculo de datos experimentales

La base teórica para la aplicación de la técnica de mecha en columna para probar la energía superficial de los materiales en polvo es la ecuación de impregnación de Washburn (ecuación de penetración de Washburn).

1.3.1 Determinación del radio efectivo capilar Reff de la muestra medida

Al aplicar la fórmula de inmersión de Washburn, la condición para lograr la humectación completa es cos=1. Esto significa que cuando se selecciona un líquido para sumergirlo en un sólido para lograr una condición totalmente húmeda, podemos calcular el radio efectivo capilar Reff de la muestra medida probando la distancia y el tiempo de inmersión de acuerdo con un caso especial de la fórmula de inmersión de Washburn.

1.3.2 Cálculo de la fuerza de Lifshitz-van der Waals para la muestra medida

Según las reglas de combinación de van Oss-Chaudhury-Good, la relación entre las reacciones entre líquidos y sólidos.

1.3.3 Cálculo de la fuerza ácido-base de Lewis de las muestras medidas

En general, las propiedades ácido-base de los sólidos se estiman a partir de datos impregnados con agua y formamida. Pero en este artículo, encontramos que no hay problema al usar este par de líquidos polares para medir celulosa, sino en la prueba de éter de celulosa, porque la altura de inmersión del sistema de solución polar de agua/formamida en éter de celulosa es demasiado baja. , lo que dificulta mucho el registro del tiempo. Por lo tanto, se seleccionó el sistema de solución de tolueno/cloroformo presentado por Chibowski. Según Chibowski, un sistema de solución polar de tolueno/cloroformo también es una opción. Esto se debe a que estos dos líquidos tienen una acidez y alcalinidad muy especial, por ejemplo, el tolueno no tiene acidez de Lewis y el cloroformo no tiene alcalinidad de Lewis. Para acercar los datos obtenidos por el sistema de solución de tolueno/cloroformo al sistema de solución polar recomendado de agua/formamida, utilizamos estos dos sistemas líquidos polares para probar la celulosa al mismo tiempo y luego obtenemos los coeficientes de expansión o contracción correspondientes. antes de aplicar Los datos obtenidos por impregnación de éter de celulosa con tolueno/cloroformo se aproximan a las conclusiones obtenidas para el sistema agua/formamida. Dado que los éteres de celulosa se derivan de la celulosa y existe una estructura muy similar entre los dos, este método de estimación puede ser válido.

1.3.4 Cálculo de la energía libre superficial total

2. Resultados y Discusión

2.1 Patrón de celulosa

Dado que los resultados de nuestras pruebas en muestras estándar de celulosa encontraron que estos datos concuerdan bien con los informados en la literatura, es razonable creer que también se deben considerar los resultados de las pruebas en éteres de celulosa.

2.2 Resultados de la prueba y discusión del éter de celulosa

Durante la prueba del éter de celulosa, es muy difícil registrar la distancia y el tiempo de inmersión debido a la altura de inmersión muy baja del agua y la formamida. Por lo tanto, este documento elige el sistema de solución de tolueno/cloroformo como una solución alternativa y estima la acidez de Lewis del éter de celulosa en función de los resultados de las pruebas de agua/formamida y tolueno/cloroformo en celulosa y la relación proporcional entre los dos sistemas de solución. y energía alcalina.

Tomando la celulosa como muestra estándar, se dan una serie de características ácido-base de los éteres de celulosa. Dado que el resultado de la impregnación de éter de celulosa con tolueno/cloroformo se prueba directamente, es convincente.

Esto significa que el tipo y el peso molecular de los sustituyentes afectan las propiedades ácido-base del éter de celulosa, y la relación entre los dos sustituyentes, hidroxipropilo e hidroxipropilmetilo, afectan las propiedades ácido-base del éter de celulosa y el peso molecular es completamente opuesto. Pero también podría estar relacionado con el hecho de que los MP son sustituyentes mixtos.

Dado que los sustituyentes de MO43 y K8913 son diferentes y tienen el mismo peso molecular, por ejemplo, el sustituyente del primero es hidroximetilo y el sustituyente del segundo es hidroxipropilo, pero el peso molecular de ambos es 100.000, por lo que también significa que el premisa del mismo peso molecular Bajo las circunstancias, el S+ y S- del grupo hidroximetilo pueden ser más pequeños que el grupo hidroxipropilo. Pero el grado de sustitución también es posible, porque el grado de sustitución de K8913 es de aproximadamente 3,00, mientras que el de MO43 es sólo de 1,90.

Dado que el grado de sustitución y los sustituyentes de K8913 y K9113 son los mismos pero solo el peso molecular es diferente, la comparación entre los dos muestra que el S+ de la hidroxipropilcelulosa disminuye con el aumento del peso molecular, pero S- aumenta por el contrario. .

Del resumen de los resultados de las pruebas de la energía superficial de todos los éteres de celulosa y sus componentes, se puede ver que ya sea celulosa o éter de celulosa, el componente principal de su energía superficial es la fuerza de Lifshitz-van der Waals, que representa alrededor del 98% ~ 99%. Además, las fuerzas de Lifshitz-van der Waals de estos éteres de celulosa no iónicos (excepto MO43) también son en su mayoría mayores que las de la celulosa, lo que indica que el proceso de eterificación de la celulosa también es un proceso de aumento de las fuerzas de Lifshitz-van der Waals. Y estos aumentos hacen que la energía superficial del éter de celulosa sea mayor que la de la celulosa. Este fenómeno es muy interesante porque estos éteres de celulosa se utilizan comúnmente en la producción de tensioactivos. Pero los datos son notables, no solo porque los datos sobre la muestra estándar de referencia probada en este experimento son extremadamente consistentes con el valor informado en la literatura, los datos sobre la muestra estándar de referencia son extremadamente consistentes con el valor informado en la literatura, por ejemplo: todas estas celulosas El SAB de los éteres es significativamente más pequeño que el de la celulosa, y esto se debe a sus bases de Lewis muy grandes. Bajo la premisa del mismo sustituyente y grado de sustitución, la energía libre superficial de la hidroxipropilcelulosa es proporcional al peso molecular; mientras que la energía libre superficial de la hidroxipropilmetilcelulosa es proporcional al grado de sustitución e inversamente proporcional al peso molecular.

Además, debido a que los éteres de celulosa tienen mayor SLW que la celulosa, pero ya sabemos que su dispersabilidad es mejor que la celulosa, por lo que se puede considerar preliminarmente que el componente principal de los SLW que constituyen los éteres de celulosa no iónicos debería ser la fuerza de Londres.

3. Conclusión

Los estudios han demostrado que el tipo de sustituyente, el grado de sustitución y el peso molecular tienen una gran influencia en la energía superficial y la composición del éter de celulosa no iónico. Y este efecto parece tener la siguiente regularidad:

(1) S+ del éter de celulosa no iónico es menor que S-.

(2) La energía superficial del éter de celulosa no iónico está dominada por la fuerza de Lifshitz-van der Waals.

(3) El peso molecular y los sustituyentes tienen un efecto sobre la energía superficial de los éteres de celulosa no iónicos, pero depende principalmente del tipo de sustituyentes.

(4) Bajo la premisa del mismo sustituyente y grado de sustitución, la energía libre superficial de la hidroxipropilcelulosa es proporcional al peso molecular; mientras que la energía libre superficial de la hidroxipropilmetilcelulosa es proporcional al grado de sustitución e inversamente proporcional al peso molecular.

(5) El proceso de eterificación de la celulosa es un proceso en el que aumenta la fuerza de Lifshitz-van der Waals, y también es un proceso en el que disminuye la acidez de Lewis y aumenta la alcalinidad de Lewis.