Ιδιότητες διαλύματος αιθέρα κατιονικής κυτταρίνης

Οι ιδιότητες αραιού διαλύματος ενός αιθέρα κατιονικής κυτταρίνης υψηλής πυκνότητας φορτίου (KG-30M) σε διαφορετικές τιμές pH μελετήθηκαν με ένα όργανο σκέδασης λέιζερ, από την υδροδυναμική ακτίνα (Rh) σε διαφορετικές γωνίες και τη μέση τετραγωνική ακτίνα περιστροφής της ρίζας Rg Η αναλογία προς το Rh συμπεραίνει ότι το σχήμα του είναι ακανόνιστο αλλά κοντά στο σφαιρικό.Στη συνέχεια, με τη βοήθεια ροόμετρου, μελετήθηκαν λεπτομερώς τρία συμπυκνωμένα διαλύματα αιθέρων κατιονικής κυτταρίνης με διαφορετικές πυκνότητες φορτίου και συζητήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης, της τιμής του pH και της δικής του πυκνότητας φορτίου στις ρεολογικές του ιδιότητες.Καθώς η συγκέντρωση αυξανόταν, ο εκθέτης του Νεύτωνα αρχικά μειώθηκε και μετά μειώθηκε.Εμφανίζεται διακύμανση ή ακόμα και ανάκαμψη και η θιξοτροπική συμπεριφορά εμφανίζεται στο 3% (κλάσμα μάζας).Μια μέτρια πυκνότητα φορτίου είναι ευεργετική για να ληφθεί υψηλότερο ιξώδες μηδενικής διάτμησης και το pH έχει μικρή επίδραση στο ιξώδες του.

Λέξεις κλειδιά:κατιονικός αιθέρας κυτταρίνης;μορφολογία;μηδενικό ιξώδες διάτμησης.ρεολογία

Τα παράγωγα κυτταρίνης και τα τροποποιημένα λειτουργικά πολυμερή τους έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στους τομείς των φυσιολογικών και υγειονομικών προϊόντων, των πετροχημικών, των φαρμάκων, των τροφίμων, των προϊόντων προσωπικής φροντίδας, της συσκευασίας κ.λπ. ικανότητα, χρησιμοποιείται ευρέως σε καθημερινές χημικές ουσίες, ειδικά σε σαμπουάν, και μπορεί να βελτιώσει το χτένισμα των μαλλιών μετά το λούσιμο.Ταυτόχρονα, λόγω της καλής συμβατότητάς του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σαμπουάν δύο-σε-ένα και όλα-σε-ένα.Έχει επίσης καλή προοπτική εφαρμογής και έχει τραβήξει την προσοχή διαφόρων χωρών.Έχει αναφερθεί στη βιβλιογραφία ότι διαλύματα παραγώγων κυτταρίνης παρουσιάζουν συμπεριφορές όπως Νευτώνειο υγρό, ψευδοπλαστικό υγρό, θιξοτροπικό υγρό και ιξωδοελαστικό ρευστό με την αύξηση της συγκέντρωσης, αλλά η μορφολογία, η ρεολογία και οι παράγοντες που επηρεάζουν τον αιθέρα κατιονικής κυτταρίνης σε υδατικό διάλυμα είναι λίγοι ερευνητικές εκθέσεις.Αυτή η εργασία εστιάζει στη ρεολογική συμπεριφορά του υδατικού διαλύματος κυτταρίνης τροποποιημένης με τεταρτοταγές αμμώνιο, προκειμένου να παρέχει μια αναφορά για πρακτική εφαρμογή.

1. Πειραματικό μέρος

1.1 Πρώτες ύλες

Κατιονικός αιθέρας κυτταρίνης (KG-30M, JR-30M, LR-30M);Το προϊόν Canada Dow Chemical Company, που παρέχεται από την Procter & Gamble Company Kobe R&D Center στην Ιαπωνία, μετρημένο με στοιχειακό αναλυτή Vario EL (German Elemental Company), το δείγμα Η περιεκτικότητα σε άζωτο είναι 2,7%, 1,8%, 1,0% αντίστοιχα (η πυκνότητα φορτίου είναι 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, 0,7 Meq/g αντίστοιχα), και ελέγχεται από το γερμανικό ALV-5000E φως λέιζερ Το όργανο σκέδασης (LLS) μέτρησε το βάρος του μέσου μοριακού βάρους του είναι περίπου 1,64×106 g/mol.

1.2 Παρασκευή διαλύματος

Το δείγμα καθαρίστηκε με διήθηση, διαπίδυση και λυοφιλίωση.Ζυγίστε μια σειρά από τρία ποσοτικά δείγματα αντίστοιχα και προσθέστε πρότυπο ρυθμιστικό διάλυμα με pH 4,00, 6,86, 9,18 για να παρασκευαστεί η απαιτούμενη συγκέντρωση.Προκειμένου να διασφαλιστεί ότι τα δείγματα διαλύθηκαν πλήρως, όλα τα διαλύματα δειγμάτων τοποθετήθηκαν σε μαγνητικό αναδευτήρα για 48 ώρες πριν από τη δοκιμή.

1.3 Μέτρηση σκέδασης φωτός

Χρησιμοποιήστε LLS για να μετρήσετε το μέσο μοριακό βάρος του δείγματος σε αραιό υδατικό διάλυμα, την υδροδυναμική ακτίνα και τη μέση τετραγωνική ακτίνα περιστροφής της ρίζας όταν ο δεύτερος συντελεστής Villi και διαφορετικές γωνίες, και συμπεράνετε ότι αυτός ο κατιονικός αιθέρας κυτταρίνης βρίσκεται σε το υδατικό διάλυμα από την κατάσταση αναλογίας του.

1.4 Μέτρηση ιξώδους και ρεολογική διερεύνηση

Το συμπυκνωμένο διάλυμα CCE μελετήθηκε με ροόμετρο Brookfield RVDV-III+ και διερευνήθηκε η επίδραση της συγκέντρωσης, της πυκνότητας φορτίου και της τιμής του pH στις ρεολογικές ιδιότητες όπως το ιξώδες του δείγματος.Σε υψηλότερες συγκεντρώσεις, είναι απαραίτητο να διερευνηθεί η θιξοτροπία του.

2. Αποτελέσματα και συζήτηση

2.1 Έρευνα για τη σκέδαση φωτός

Λόγω της ειδικής μοριακής του δομής, είναι δύσκολο να υπάρχει με τη μορφή ενός μόνο μορίου ακόμη και σε έναν καλό διαλύτη, αλλά με τη μορφή ορισμένων σταθερών μικκυλίων, συστάδων ή ενώσεων.

Όταν το αραιό υδατικό διάλυμα (~o,1%) του CCE παρατηρήθηκε με πολωτικό μικροσκόπιο, κάτω από το φόντο του μαύρου σταυρού ορθογώνιου πεδίου, εμφανίστηκαν φωτεινά σημεία «αστέρων» και φωτεινές ράβδοι.Χαρακτηρίζεται περαιτέρω από σκέδαση φωτός, η δυναμική υδροδυναμική ακτίνα σε διαφορετικά pH και γωνίες, η μέση τετραγωνική ακτίνα περιστροφής της ρίζας και ο δεύτερος συντελεστής Villi που λαμβάνεται από το διάγραμμα Berry παρατίθενται στο Tab.1. Το γράφημα κατανομής της συνάρτησης υδροδυναμικής ακτίνας που λαμβάνεται σε συγκέντρωση 10-5 είναι κυρίως μια μοναδική κορυφή, αλλά η κατανομή είναι πολύ ευρεία (Εικ. 1), υποδεικνύοντας ότι υπάρχουν ενώσεις μοριακού επιπέδου και μεγάλα συσσωματώματα στο σύστημα ;Υπάρχουν αλλαγές και οι τιμές Rg/Rb είναι περίπου 0,775, υποδεικνύοντας ότι το σχήμα του CCE στο διάλυμα είναι κοντά στο σφαιρικό, αλλά όχι αρκετά κανονικό.Η επίδραση του pH στα Rb και Rg δεν είναι εμφανής.Το αντίθετο ιόν στο ρυθμιστικό διάλυμα αλληλεπιδρά με το CCE για να θωρακίσει το φορτίο στην πλευρική του αλυσίδα και να το κάνει να συρρικνωθεί, αλλά η διαφορά ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο του αντίθετου ιόντος.Η μέτρηση σκέδασης φωτός φορτισμένων πολυμερών είναι επιρρεπής σε αλληλεπίδραση δυνάμεων μεγάλης εμβέλειας και εξωτερική παρεμβολή, επομένως υπάρχουν ορισμένα σφάλματα και περιορισμοί στον χαρακτηρισμό LLS.Όταν το κλάσμα μάζας είναι μεγαλύτερο από 0,02%, υπάρχουν ως επί το πλείστον αδιαχώριστες διπλές κορυφές ή ακόμα και πολλαπλές κορυφές στο διάγραμμα κατανομής Rh.Καθώς η συγκέντρωση αυξάνεται, ο Rh αυξάνεται επίσης, υποδεικνύοντας ότι περισσότερα μακρομόρια συνδέονται ή ακόμη και συσσωματώνονται.Όταν οι Cao et al.χρησιμοποίησε σκέδαση φωτός για να μελετήσει το συμπολυμερές της καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης και τα επιφανειακά ενεργά μακρομερή, υπήρχαν επίσης αχώριστες διπλές κορυφές, η μία από τις οποίες ήταν μεταξύ 30 nm και 100 nm, αντιπροσωπεύοντας το σχηματισμό μικκυλίων σε μοριακό επίπεδο και η άλλη Η κορυφή Rh είναι σχετικά μεγάλο, το οποίο θεωρείται άθροισμα, το οποίο είναι παρόμοιο με τα αποτελέσματα που προσδιορίζονται στην παρούσα εργασία.

2.2 Έρευνα για τη ρεολογική συμπεριφορά

2.2.1 Επίδραση της συγκέντρωσης:Μετρήστε το φαινομενικό ιξώδες των διαλυμάτων KG-30M με διαφορετικές συγκεντρώσεις σε διαφορετικούς ρυθμούς διάτμησης και σύμφωνα με τη λογαριθμική μορφή της εξίσωσης νόμου ισχύος που προτείνεται από τους Ostwald-Dewaele, όταν το κλάσμα μάζας δεν υπερβαίνει το 0,7% και μια σειρά από ευθείες γραμμές με γραμμικούς συντελεστές συσχέτισης μεγαλύτερους από 0,99 προέκυψαν.Και καθώς η συγκέντρωση αυξάνεται, η τιμή του εκθέτη n του Νεύτωνα μειώνεται (όλα λιγότερο από 1), δείχνοντας ένα εμφανές ψευδοπλαστικό ρευστό.Οδηγούμενες από δύναμη διάτμησης, οι μακρομοριακές αλυσίδες αρχίζουν να ξεμπερδεύουν και να προσανατολίζονται, έτσι το ιξώδες μειώνεται.Όταν το κλάσμα μάζας είναι μεγαλύτερο από 0,7%, ο συντελεστής γραμμικής συσχέτισης της λαμβανόμενης ευθείας μειώνεται (περίπου 0,98) και το n αρχίζει να κυμαίνεται ή ακόμη και να αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης.όταν το κλάσμα μάζας φτάσει το 3% (Εικ. 2), ο πίνακας Το φαινομενικό ιξώδες πρώτα αυξάνεται και μετά μειώνεται με την αύξηση του ρυθμού διάτμησης.Αυτή η σειρά φαινομένων είναι διαφορετική από τις αναφορές άλλων ανιονικών και κατιονικών διαλυμάτων πολυμερών.Η τιμή n αυξάνεται, δηλαδή, η μη Νευτώνεια ιδιότητα εξασθενεί.Το νευτώνειο ρευστό είναι ένα παχύρρευστο υγρό και η διαμοριακή ολίσθηση συμβαίνει υπό την επίδραση της διατμητικής τάσης και δεν μπορεί να ανακτηθεί.Το μη νευτώνειο υγρό περιέχει ένα ανακτήσιμο ελαστικό μέρος και ένα μη ανακτήσιμο παχύρρευστο τμήμα.Κάτω από τη δράση της διατμητικής τάσης, εμφανίζεται η μη αναστρέψιμη ολίσθηση μεταξύ των μορίων και ταυτόχρονα, επειδή τα μακρομόρια τεντώνονται και προσανατολίζονται με τη διάτμηση, σχηματίζεται ένα ανακτήσιμο ελαστικό τμήμα.Όταν αφαιρεθεί η εξωτερική δύναμη, τα μακρομόρια τείνουν να επιστρέψουν στην αρχική κυρτή μορφή, οπότε η τιμή του n ανεβαίνει.Η συγκέντρωση συνεχίζει να αυξάνεται για να σχηματίσει μια δομή δικτύου.Όταν η διατμητική τάση είναι μικρή, δεν θα καταστραφεί και θα συμβεί μόνο ελαστική παραμόρφωση.Αυτή τη στιγμή, η ελαστικότητα θα ενισχυθεί σχετικά, το ιξώδες θα εξασθενήσει και η τιμή του n θα μειωθεί.ενώ η διατμητική τάση αυξάνεται σταδιακά κατά τη διαδικασία μέτρησης, οπότε n Η τιμή κυμαίνεται.Όταν το κλάσμα μάζας φτάσει στο 3%, το φαινομενικό ιξώδες πρώτα αυξάνεται και μετά μειώνεται, επειδή η μικρή διάτμηση προωθεί τη σύγκρουση μακρομορίων για να σχηματιστούν μεγάλα συσσωματώματα, έτσι το ιξώδες αυξάνεται και η διατμητική τάση συνεχίζει να σπάει τα συσσωματώματα., το ιξώδες θα μειωθεί ξανά.

Κατά τη διερεύνηση της θιξοτροπίας, ρυθμίστε την ταχύτητα (r/min) ώστε να φτάσει στο επιθυμητό y, αυξήστε την ταχύτητα σε τακτά χρονικά διαστήματα μέχρι να φτάσει στην καθορισμένη τιμή και, στη συνέχεια, πέστε γρήγορα από τη μέγιστη ταχύτητα πίσω στην αρχική τιμή για να λάβετε την αντίστοιχη Η διατμητική τάση, η σχέση της με το ρυθμό διάτμησης φαίνεται στο Σχ. 3. Όταν το κλάσμα μάζας είναι μικρότερο από 2,5%, η ανοδική και η καθοδική καμπύλη επικαλύπτονται πλήρως, αλλά όταν το κλάσμα μάζας είναι 3%, οι δύο γραμμές όχι μεγαλύτερη επικάλυψη και η καθοδική γραμμή υστερεί, υποδηλώνοντας θιξοτροπία.

Η χρονική εξάρτηση της διατμητικής τάσης είναι γνωστή ως ρεολογική αντίσταση.Η ρεολογική αντίσταση είναι μια χαρακτηριστική συμπεριφορά ιξωδοελαστικών υγρών και υγρών με θιξοτροπικές δομές.Διαπιστώθηκε ότι όσο μεγαλύτερο είναι το y στο ίδιο κλάσμα μάζας, τόσο πιο γρήγορα το r φτάνει στην ισορροπία και η εξάρτηση από το χρόνο είναι μικρότερη.σε χαμηλότερο κλάσμα μάζας (<2%), το CCE δεν παρουσιάζει ρεολογική αντοχή.Όταν το κλάσμα μάζας αυξάνεται στο 2,5%, δείχνει ισχυρή χρονική εξάρτηση (Εικ. 4) και χρειάζονται περίπου 10 λεπτά για να επιτευχθεί ισορροπία, ενώ στο 3,0%, ο χρόνος ισορροπίας διαρκεί 50 λεπτά.Η καλή θιξοτροπία του συστήματος ευνοεί την πρακτική εφαρμογή.

2.2.2 Η επίδραση της πυκνότητας φορτίου:επιλέγεται η λογαριθμική μορφή του εμπειρικού τύπου Spencer-Dillon, στον οποίο το μηδενικό ιξώδες b είναι σταθερό στην ίδια συγκέντρωση και διαφορετική θερμοκρασία και αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης στην ίδια θερμοκρασία.Σύμφωνα με την εξίσωση του νόμου ισχύος που υιοθετήθηκε από τον Onogi το 1966, το M είναι η σχετική μοριακή μάζα του πολυμερούς, τα Α και Β είναι σταθερές και c είναι το κλάσμα μάζας (%).Σύκο.5 Οι τρεις καμπύλες έχουν εμφανή σημεία καμπής γύρω στο 0,6%, δηλαδή υπάρχει ένα κλάσμα κρίσιμης μάζας.Πάνω από 0,6%, το ιξώδες μηδενικής διάτμησης αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση της συγκέντρωσης C. Οι καμπύλες των τριών δειγμάτων με διαφορετικές πυκνότητες φορτίου είναι πολύ κοντινές.Αντίθετα, όταν το κλάσμα μάζας είναι μεταξύ 0,2% και 0,8%, το μηδενικό ιξώδες του δείγματος LR με τη μικρότερη πυκνότητα φορτίου είναι το μεγαλύτερο, επειδή η σύνδεση δεσμού υδρογόνου απαιτεί μια ορισμένη επαφή.Ως εκ τούτου, η πυκνότητα του φορτίου σχετίζεται στενά με το εάν τα μακρομόρια μπορούν να διευθετηθούν με τακτοποιημένο και συμπαγή τρόπο.μέσω της δοκιμής DSC, βρέθηκε ότι το LR έχει ασθενή κορυφή κρυστάλλωσης, υποδεικνύοντας μια κατάλληλη πυκνότητα φορτίου και το ιξώδες μηδενικής διάτμησης είναι υψηλότερο στην ίδια συγκέντρωση.Όταν το κλάσμα μάζας είναι μικρότερο από 0,2%, το LR είναι το μικρότερο, επειδή σε αραιό διάλυμα, τα μακρομόρια με χαμηλή πυκνότητα φορτίου είναι πιο πιθανό να σχηματίσουν προσανατολισμό πηνίου, επομένως το ιξώδες μηδενικής διάτμησης είναι χαμηλό.Αυτό έχει μια καλή καθοδηγητική σημασία όσον αφορά την απόδοση πάχυνσης.

2.2.3 επίδραση pH: Το Σχ. 6 είναι το αποτέλεσμα που μετράται σε διαφορετικό ρΗ εντός της περιοχής από 0,05% έως 2,5% κλάσματος μάζας.Υπάρχει ένα σημείο καμπής γύρω στο 0,45%, αλλά οι τρεις καμπύλες σχεδόν αλληλεπικαλύπτονται, υποδεικνύοντας ότι το pH δεν έχει εμφανή επίδραση στο ιξώδες μηδενικής διάτμησης, το οποίο είναι αρκετά διαφορετικό από την ευαισθησία του αιθέρα ανιονικής κυτταρίνης στο pH.

3. Συμπέρασμα

Το αραιό υδατικό διάλυμα KG-30M μελετάται από το LLS και η κατανομή υδροδυναμικής ακτίνας που λαμβάνεται είναι μια μοναδική κορυφή.Από την εξάρτηση της γωνίας και τον λόγο Rg/Rb, μπορεί να συναχθεί ότι το σχήμα του είναι κοντά στο σφαιρικό, αλλά όχι αρκετά κανονικό.Για τα διαλύματα CCE με τρεις πυκνότητες φορτίου, το ιξώδες αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης, αλλά ο κυνηγετικός αριθμός n του Νεύτωνα πρώτα μειώνεται, μετά αυξομειώνεται και μάλιστα αυξάνεται.Το pH έχει μικρή επίδραση στο ιξώδες και μια μέτρια πυκνότητα φορτίου μπορεί να αποκτήσει υψηλότερο ιξώδες.