Eigenschaften der kationischen Celluloseetherlösung

Die Eigenschaften einer verdünnten Lösung eines kationischen Celluloseethers mit hoher Ladungsdichte (KG-30M) bei verschiedenen pH-Werten wurden mit einem Laserstreugerät anhand des hydrodynamischen Radius (Rh) bei verschiedenen Winkeln und des quadratischen Mittelwerts des Rotationsradius untersucht Rg Das Verhältnis zu Rh lässt darauf schließen, dass seine Form unregelmäßig, aber nahezu kugelförmig ist.Anschließend wurden mit Hilfe eines Rheometers drei konzentrierte Lösungen kationischer Celluloseether mit unterschiedlichen Ladungsdichten im Detail untersucht und der Einfluss von Konzentration, pH-Wert und eigener Ladungsdichte auf deren rheologische Eigenschaften diskutiert.Mit steigender Konzentration nahm der Newtonsche Exponent zunächst ab und dann ab.Es kommt zu Schwankungen oder gar Rückschlägen, bei 3 % (Massenanteil) kommt es zu thixotropem Verhalten.Eine mäßige Ladungsdichte ist vorteilhaft, um eine höhere Nullviskosität zu erreichen, und der pH-Wert hat nur einen geringen Einfluss auf die Viskosität.

Schlüsselwörter:kationischer Celluloseether;Morphologie;Null-Scher-Viskosität;Rheologie

Cellulosederivate und ihre modifizierten funktionellen Polymere werden in großem Umfang in den Bereichen physiologische und sanitäre Produkte, Petrochemie, Medizin, Lebensmittel, Körperpflegeprodukte, Verpackungen usw. verwendet. Wasserlöslicher kationischer Celluloseether (CCE) ist aufgrund seiner starken Verdickung vorhanden Aufgrund seiner Fähigkeit wird es häufig in täglichen Chemikalien, insbesondere Shampoos, verwendet und kann die Kämmbarkeit der Haare nach der Haarwäsche verbessern.Gleichzeitig kann es aufgrund seiner guten Verträglichkeit in Zwei-in-Eins- und All-in-Eins-Shampoos verwendet werden.Es hat auch gute Bewerbungsaussichten und hat die Aufmerksamkeit verschiedener Länder auf sich gezogen.In der Literatur wurde berichtet, dass Lösungen von Cellulosederivaten mit zunehmender Konzentration Verhaltensweisen wie Newtonsche Flüssigkeiten, pseudoplastische Flüssigkeiten, thixotrope Flüssigkeiten und viskoelastische Flüssigkeiten zeigen, aber die Morphologie, Rheologie und Einflussfaktoren von kationischem Celluloseether in wässriger Lösung sind gering Forschungsberichte.Dieser Artikel konzentriert sich auf das rheologische Verhalten einer wässrigen Lösung mit quaternärem Ammonium modifizierter Cellulose, um eine Referenz für die praktische Anwendung bereitzustellen.

1. Experimenteller Teil

1.1 Rohstoffe

Kationischer Celluloseether (KG-30M, JR-30M, LR-30M);Produkt der Canada Dow Chemical Company, bereitgestellt vom Kobe R&D Centre der Procter & Gamble Company in Japan, gemessen mit dem Elementaranalysator Vario EL (German Elemental Company), der Stickstoffgehalt der Probe beträgt 2,7 %, 1,8 % bzw. 1,0 % (die Ladungsdichte beträgt 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g bzw. 0,7 Meq/g) und es wurde mit dem deutschen Laserlichtstreugerät ALV-5000E (LLS) getestet und sein gewichtsmittleres Molekulargewicht beträgt etwa 1,64×106g/mol.

1.2 Lösungsvorbereitung

Die Probe wurde durch Filtration, Dialyse und Gefriertrocknung gereinigt.Wiegen Sie jeweils eine Reihe von drei quantitativen Proben und geben Sie Standardpufferlösung mit pH 4,00, 6,86 und 9,18 hinzu, um die erforderliche Konzentration herzustellen.Um sicherzustellen, dass die Proben vollständig gelöst waren, wurden alle Probenlösungen vor dem Test 48 Stunden lang auf einen Magnetrührer gestellt.

1.3 Lichtstreuungsmessung

Verwenden Sie LLS, um das gewichtsmittlere Molekulargewicht der Probe in verdünnter wässriger Lösung, den hydrodynamischen Radius und den quadratischen Rotationsradius bei Verwendung des zweiten Villi-Koeffizienten und verschiedener Winkel zu messen und daraus zu schließen, dass dieser kationische Celluloseether vorliegt die wässrige Lösung durch ihren Verhältnisstatus.

1.4 Viskositätsmessung und rheologische Untersuchung

Die konzentrierte CCE-Lösung wurde mit dem Rheometer Brookfield RVDV-III+ untersucht und der Einfluss von Konzentration, Ladungsdichte und pH-Wert auf rheologische Eigenschaften wie die Probenviskosität untersucht.Bei höheren Konzentrationen muss die Thixotropie untersucht werden.

2. Ergebnisse und Diskussion

2.1 Forschung zur Lichtstreuung

Aufgrund seiner besonderen Molekülstruktur ist es selbst in einem guten Lösungsmittel schwierig, in Form eines einzelnen Moleküls zu existieren, sondern in Form bestimmter stabiler Mizellen, Cluster oder Verbände.

Als die verdünnte wässrige Lösung (~0,1 %) von CCE mit einem Polarisationsmikroskop beobachtet wurde, erschienen vor dem Hintergrund des orthogonalen Feldes des schwarzen Kreuzes „sternförmige“ helle Flecken und helle Balken.Es wird weiterhin durch Lichtstreuung charakterisiert, der dynamische hydrodynamische Radius bei verschiedenen pH-Werten und Winkeln, der quadratische mittlere Rotationsradius und der zweite Villi-Koeffizient, der aus dem Berry-Diagramm erhalten wird, sind in Tab. aufgeführt.1. Das bei einer Konzentration von 10-5 erhaltene Verteilungsdiagramm der hydrodynamischen Radiusfunktion besteht hauptsächlich aus einem einzelnen Peak, die Verteilung ist jedoch sehr breit (Abb. 1), was darauf hinweist, dass es im System Assoziationen auf molekularer Ebene und große Aggregate gibt ;Es gibt Veränderungen und die Rg/Rb-Werte liegen alle bei etwa 0,775, was darauf hindeutet, dass die Form von CCE in Lösung nahezu kugelförmig, aber nicht regelmäßig genug ist.Der Einfluss des pH-Werts auf Rb und Rg ist nicht offensichtlich.Das Gegenion in der Pufferlösung interagiert mit CCE, um die Ladung in seiner Seitenkette abzuschirmen und sie schrumpfen zu lassen. Der Unterschied variiert jedoch je nach Art des Gegenions.Die Lichtstreuungsmessung geladener Polymere ist anfällig für weitreichende Kraftwechselwirkungen und externe Störungen, daher gibt es bestimmte Fehler und Einschränkungen bei der LLS-Charakterisierung.Wenn der Massenanteil größer als 0,02 % ist, gibt es im Rh-Verteilungsdiagramm meist untrennbare Doppelpeaks oder sogar Mehrfachpeaks.Mit zunehmender Konzentration nimmt auch Rh zu, was darauf hindeutet, dass mehr Makromoleküle assoziiert oder sogar aggregiert sind.Als Cao et al.Mithilfe der Lichtstreuung untersuchte man das Copolymer aus Carboxymethylcellulose und oberflächenaktiven Makromeren. Es gab auch untrennbare Doppelpeaks, von denen einer zwischen 30 nm und 100 nm lag, was die Bildung von Mizellen auf molekularer Ebene darstellt, und der andere Der Peak Rh ist relativ groß, was als ein Aggregat angesehen wird, das den in diesem Artikel ermittelten Ergebnissen ähnelt.

2.2 Forschung zum rheologischen Verhalten

2.2.1 Wirkung der Konzentration:Messen Sie die scheinbare Viskosität von KG-30M-Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten und gemäß der logarithmischen Form der von Ostwald-Dewaele vorgeschlagenen Potenzgesetzgleichung, wenn der Massenanteil 0,7 % nicht überschreitet, und einer Reihe von geraden Linien mit linearen Korrelationskoeffizienten größer als 0,99 wurden erhalten.Und wenn die Konzentration zunimmt, nimmt der Wert des Newtonschen Exponenten n ab (alle kleiner als 1), was auf eine offensichtliche pseudoplastische Flüssigkeit schließen lässt.Durch die Scherkraft beginnen sich die makromolekularen Ketten zu entwirren und auszurichten, sodass die Viskosität abnimmt.Wenn der Massenanteil größer als 0,7 % ist, nimmt der lineare Korrelationskoeffizient der erhaltenen Geraden ab (ungefähr 0,98) und n beginnt mit zunehmender Konzentration zu schwanken oder sogar anzusteigen;Wenn der Massenanteil 3 % erreicht (Abb. 2), steigt die scheinbare Viskosität zunächst an und nimmt dann mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab.Diese Reihe von Phänomenen unterscheidet sich von den Berichten über andere anionische und kationische Polymerlösungen.Der n-Wert steigt, das heißt, die nicht-Newtonsche Eigenschaft wird abgeschwächt;Die Newtonsche Flüssigkeit ist eine viskose Flüssigkeit. Unter Einwirkung von Scherspannung kommt es zu einem intermolekularen Schlupf, der nicht wiederhergestellt werden kann.Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten enthalten einen rückstellbaren elastischen Anteil und einen nicht rückstellbaren viskosen Anteil.Unter der Wirkung der Scherbeanspruchung kommt es zu einem irreversiblen Gleiten zwischen den Molekülen, und gleichzeitig wird ein rückstellbarer elastischer Teil gebildet, da die Makromoleküle durch die Scherung gedehnt und ausgerichtet werden.Wenn die äußere Kraft entfernt wird, neigen die Makromoleküle dazu, in die ursprüngliche gekräuselte Form zurückzukehren, sodass der Wert von n steigt.Die Konzentration nimmt weiter zu, um eine Netzwerkstruktur zu bilden.Wenn die Scherspannung gering ist, wird sie nicht zerstört und es kommt nur zu einer elastischen Verformung.Zu diesem Zeitpunkt wird die Elastizität relativ erhöht, die Viskosität wird geschwächt und der Wert von n nimmt ab;Während die Scherspannung während des Messvorgangs allmählich zunimmt, schwankt der Wert von n.Wenn der Massenanteil 3 % erreicht, steigt die scheinbare Viskosität zunächst an und nimmt dann ab, da die geringe Scherung die Kollision von Makromolekülen zur Bildung großer Aggregate fördert, sodass die Viskosität ansteigt und die Scherspannung die Aggregate weiter aufbricht., nimmt die Viskosität wieder ab.

Stellen Sie bei der Untersuchung der Thixotropie die Geschwindigkeit (U/min) so ein, dass das gewünschte y erreicht wird, erhöhen Sie die Geschwindigkeit in regelmäßigen Abständen, bis sie den eingestellten Wert erreicht, und senken Sie sie dann schnell von der maximalen Geschwindigkeit zurück auf den Anfangswert, um den entsprechenden Wert zu erhalten Die Scherspannung und ihre Beziehung zur Scherrate sind in Abb. 3 dargestellt. Wenn der Massenanteil weniger als 2,5 % beträgt, überlappen sich die Aufwärtskurve und die Abwärtskurve vollständig, aber wenn der Massenanteil 3 % beträgt, sind die beiden Linien Nr Die Überlappung ist länger und die Abwärtslinie hinkt hinterher, was auf Thixotropie hindeutet.

Die Zeitabhängigkeit der Scherspannung wird als rheologischer Widerstand bezeichnet.Der rheologische Widerstand ist ein charakteristisches Verhalten viskoelastischer Flüssigkeiten und Flüssigkeiten mit thixotropen Strukturen.Es zeigt sich, dass je größer y bei gleichem Massenanteil ist, desto schneller erreicht r das Gleichgewicht und die Zeitabhängigkeit ist kleiner;Bei einem geringeren Massenanteil (<2 %) zeigt CCE keine rheologische Beständigkeit.Wenn der Massenanteil auf 2,5 % ansteigt, zeigt er eine starke Zeitabhängigkeit (Abb. 4) und es dauert etwa 10 Minuten, bis das Gleichgewicht erreicht ist, während bei 3,0 % die Gleichgewichtszeit 50 Minuten dauert.Die gute Thixotropie des Systems begünstigt die praktische Anwendung.

2.2.2 Der Einfluss der Ladungsdichte:Es wird die logarithmische Form der empirischen Spencer-Dillon-Formel gewählt, bei der die Nullschnittviskosität b bei gleicher Konzentration und unterschiedlicher Temperatur konstant ist und mit zunehmender Konzentration bei gleicher Temperatur zunimmt.Gemäß der 1966 von Onogi angenommenen Potenzgesetzgleichung ist M die relative Molekülmasse des Polymers, A und B sind Konstanten und c ist der Massenanteil (%).Feige．5 Die drei Kurven haben offensichtliche Wendepunkte um 0,6 %, das heißt, es gibt einen kritischen Massenanteil.Bei mehr als 0,6 % steigt die Nullscherviskosität mit zunehmender Konzentration C schnell an. Die Kurven der drei Proben mit unterschiedlichen Ladungsdichten liegen sehr nahe beieinander.Wenn der Massenanteil dagegen zwischen 0,2 % und 0,8 % liegt, ist die Nullschnittviskosität der LR-Probe mit der kleinsten Ladungsdichte am größten, da die Wasserstoffbindungsassoziation einen bestimmten Kontakt erfordert.Daher hängt die Ladungsdichte eng damit zusammen, ob die Makromoleküle geordnet und kompakt angeordnet werden können;Durch DSC-Tests wurde festgestellt, dass LR einen schwachen Kristallisationspeak aufweist, was auf eine geeignete Ladungsdichte hinweist, und die Null-Scherviskosität ist bei gleicher Konzentration höher.Wenn der Massenanteil weniger als 0,2 % beträgt, ist LR am kleinsten, da Makromoleküle mit niedriger Ladungsdichte in verdünnter Lösung eher eine Spulenorientierung bilden, sodass die Null-Scherviskosität niedrig ist.Dies hat eine gute leitende Bedeutung im Hinblick auf die Verdickungsleistung.

2.2.3 pH-Effekt: Abb. 6 zeigt das Ergebnis, gemessen bei verschiedenen pH-Werten im Bereich von 0,05 % bis 2,5 % Massenanteil.Es gibt einen Wendepunkt um 0,45 %, aber die drei Kurven überlappen sich fast, was darauf hindeutet, dass der pH-Wert keinen offensichtlichen Einfluss auf die Null-Scherviskosität hat, was sich deutlich von der Empfindlichkeit anionischer Celluloseether gegenüber dem pH-Wert unterscheidet.

3. Fazit

Die verdünnte wässrige KG-30M-Lösung wird mit LLS untersucht und die erhaltene hydrodynamische Radiusverteilung ist ein einzelner Peak.Aus der Winkelabhängigkeit und dem Rg/Rb-Verhältnis lässt sich ableiten, dass seine Form nahezu kugelförmig, aber nicht regelmäßig genug ist.Bei den CCE-Lösungen mit drei Ladungsdichten steigt die Viskosität mit zunehmender Konzentration, die Newtonsche Jagdzahl n nimmt jedoch zunächst ab, schwankt dann und steigt sogar an;Der pH-Wert hat kaum Einfluss auf die Viskosität und eine mäßige Ladungsdichte kann zu einer höheren Viskosität führen.