Propiedades de la solución de éter de celulosa catiónica

Las propiedades de la solución diluida de un éter de celulosa catiónico de alta densidad de carga (KG-30M) a diferentes valores de pH se estudiaron con un instrumento de dispersión láser, a partir del radio hidrodinámico (Rh) en diferentes ángulos y el radio cuadrático medio de rotación. Rg La relación con Rh infiere que su forma es irregular pero cercana a esférica.Luego, con la ayuda de un reómetro, se estudiaron en detalle tres soluciones concentradas de éteres de celulosa catiónicos con diferentes densidades de carga y se discutió la influencia de la concentración, el valor del pH y la propia densidad de carga en sus propiedades reológicas.A medida que aumentaba la concentración, el exponente de Newton primero disminuía y luego disminuía.Se produce fluctuación o incluso rebote y se produce un comportamiento tixotrópico al 3% (fracción de masa).Una densidad de carga moderada es beneficiosa para obtener una viscosidad de corte cero más alta, y el pH tiene poco efecto sobre su viscosidad.

Palabras clave:éter de celulosa catiónico;morfología;viscosidad de corte cero;reología

Los derivados de celulosa y sus polímeros funcionales modificados se han utilizado ampliamente en los campos de productos fisiológicos y sanitarios, petroquímicos, medicamentos, alimentos, productos de cuidado personal, envases, etc. El éter de celulosa catiónico (CCE) soluble en agua se debe a su fuerte espesamiento. capacidad, se usa ampliamente en productos químicos diarios, especialmente champús, y puede mejorar la peinabilidad del cabello después del champú.Al mismo tiempo, por su buena compatibilidad, se puede utilizar en champús dos en uno y todo en uno.También tiene buenas perspectivas de aplicación y ha atraído la atención de varios países.Se ha informado en la literatura que las soluciones de derivados de celulosa exhiben comportamientos tales como fluido newtoniano, fluido pseudoplástico, fluido tixotrópico y fluido viscoelástico con el aumento de la concentración, pero la morfología, reología y los factores que influyen del éter de celulosa catiónico en solución acuosa son pocos. reportes de investigación.Este artículo se centra en el comportamiento reológico de la solución acuosa de celulosa modificada con amonio cuaternario, con el fin de proporcionar una referencia para la aplicación práctica.

1. Parte experimental

1.1 Materias primas

Éter de celulosa catiónico (KG-30M, JR-30M, LR-30M);Producto de Canadá Dow Chemical Company, proporcionado por el Centro de Investigación y Desarrollo Kobe de Procter & Gamble Company en Japón, medido por el analizador elemental Vario EL (Compañía Elemental Alemana), la muestra El contenido de nitrógeno es 2,7%, 1,8%, 1,0% respectivamente (la densidad de carga es 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, 0,7 Meq/g respectivamente), y se prueba con un instrumento de dispersión de luz láser (LLS) alemán ALV-5000E que midió que su peso molecular promedio en peso es de aproximadamente 1,64.×106 g/mol.

1.2 Preparación de la solución

La muestra se purificó mediante filtración, diálisis y liofilización.Pesar una serie de tres muestras cuantitativas respectivamente y agregar solución tampón estándar con pH 4,00, 6,86, 9,18 para preparar la concentración requerida.Para garantizar que las muestras se disolvieran completamente, todas las soluciones de las muestras se colocaron en un agitador magnético durante 48 horas antes de la prueba.

1.3 Medición de la dispersión de la luz

Utilice LLS para medir el peso molecular promedio en peso de la muestra en solución acuosa diluida, el radio hidrodinámico y el radio cuadrático medio de rotación cuando el segundo coeficiente de Villi y diferentes ángulos, e infiera que este éter de celulosa catiónico está en la solución acuosa por su estado de relación.

1.4 Medición de viscosidad e investigación reológica.

La solución concentrada de CCE se estudió con el reómetro Brookfield RVDV-III+ y se investigó la influencia de la concentración, la densidad de carga y el valor del pH en las propiedades reológicas, como la viscosidad de la muestra.En concentraciones más altas, es necesario investigar su tixotropía.

2. Resultados y discusión

2.1 Investigación sobre dispersión de luz

Debido a su estructura molecular especial, es difícil existir en forma de una sola molécula incluso en un buen disolvente, sino en forma de determinadas micelas, agrupaciones o asociaciones estables.

Cuando se observó la solución acuosa diluida (~0,1%) de CCE con un microscopio polarizador, bajo el fondo del campo ortogonal en forma de cruz negra, aparecieron puntos brillantes en forma de “estrella” y barras brillantes.Se caracteriza además por la dispersión de la luz, el radio hidrodinámico dinámico a diferentes pH y ángulos, el radio cuadrático medio de rotación y el segundo coeficiente de Villi obtenido del diagrama de Berry se enumeran en la Tab.1. El gráfico de distribución de la función de radio hidrodinámico obtenido a una concentración de 10-5 es principalmente un pico único, pero la distribución es muy amplia (Fig. 1), lo que indica que existen asociaciones a nivel molecular y grandes agregados en el sistema. ;Hay cambios y los valores de Rg/Rb están alrededor de 0,775, lo que indica que la forma del CCE en solución es casi esférica, pero no lo suficientemente regular.El efecto del pH sobre Rb y Rg no es obvio.El contraión en la solución tampón interactúa con el CCE para proteger la carga en su cadena lateral y hacer que se contraiga, pero la diferencia varía según el tipo de contraión.La medición de la dispersión de la luz de polímeros cargados es susceptible a la interacción de fuerzas de largo alcance y a interferencias externas, por lo que existen ciertos errores y limitaciones en la caracterización de LLS.Cuando la fracción de masa es superior al 0,02%, en su mayoría hay picos dobles inseparables o incluso picos múltiples en el diagrama de distribución de Rh.A medida que aumenta la concentración, el Rh también aumenta, lo que indica que se asocian o incluso se agregan más macromoléculas.Cuando Cao et al.Usó dispersión de luz para estudiar el copolímero de carboximetilcelulosa y macrómeros tensioactivos, también hubo picos dobles inseparables, uno de los cuales estaba entre 30 nm y 100 nm, que representa la formación de micelas a nivel molecular, y el otro El pico Rh es relativamente grande, lo cual se considera un agregado, lo cual es similar a los resultados determinados en este trabajo.

2.2 Investigación sobre el comportamiento reológico

2.2.1 Efecto de la concentración:Medir la viscosidad aparente de soluciones de KG-30M con diferentes concentraciones a diferentes velocidades de corte, y según la forma logarítmica de la ecuación de la ley de potencia propuesta por Ostwald-Dewaele, cuando la fracción de masa no supera el 0,7%, y una serie de líneas rectas. con coeficientes de correlación lineal superiores a 0,99.Y a medida que aumenta la concentración, el valor del exponente n de Newton disminuye (todos menos de 1), mostrando un fluido pseudoplástico obvio.Impulsadas por la fuerza de corte, las cadenas macromoleculares comienzan a desenredarse y orientarse, por lo que la viscosidad disminuye.Cuando la fracción de masa es superior al 0,7%, el coeficiente de correlación lineal de la línea recta obtenida disminuye (aproximadamente 0,98), y n comienza a fluctuar o incluso aumentar con el aumento de la concentración;cuando la fracción de masa alcanza el 3% (Fig. 2), la viscosidad aparente de la tabla primero aumenta y luego disminuye con el aumento de la velocidad de corte.Esta serie de fenómenos es diferente de los informes de otras soluciones de polímeros aniónicos y catiónicos.El valor de n aumenta, es decir, la propiedad no newtoniana se debilita;El fluido newtoniano es un líquido viscoso y el deslizamiento intermolecular se produce bajo la acción del esfuerzo cortante y no se puede recuperar;El fluido no newtoniano contiene una parte elástica recuperable y una parte viscosa irrecuperable.Bajo la acción del esfuerzo cortante, se produce el deslizamiento irreversible entre moléculas y, al mismo tiempo, debido a que las macromoléculas se estiran y orientan con el corte, se forma una parte elástica recuperable.Cuando se elimina la fuerza externa, las macromoléculas tienden a volver a la forma curvada original, por lo que el valor de n aumenta.La concentración continúa aumentando para formar una estructura de red.Cuando el esfuerzo cortante es pequeño, no se destruirá y sólo se producirá deformación elástica.En este momento, la elasticidad aumentará relativamente, la viscosidad se debilitará y el valor de n disminuirá;mientras que la tensión cortante aumenta gradualmente durante el proceso de medición, por lo que n El valor fluctúa.Cuando la fracción de masa alcanza el 3%, la viscosidad aparente primero aumenta y luego disminuye, debido a que el corte pequeño promueve la colisión de macromoléculas para formar agregados grandes, por lo que la viscosidad aumenta y el esfuerzo cortante continúa rompiendo los agregados., la viscosidad disminuirá nuevamente.

En la investigación de tixotropía, establezca la velocidad (r/min) para alcanzar la y deseada, aumente la velocidad a intervalos regulares hasta que alcance el valor establecido y luego baje rápidamente desde la velocidad máxima hasta el valor inicial para obtener el valor correspondiente. El esfuerzo cortante, su relación con la velocidad de corte se muestra en la Fig. 3. Cuando la fracción de masa es inferior al 2,5%, la curva ascendente y la curva descendente se superponen completamente, pero cuando la fracción de masa es del 3%, las dos líneas no se superponen más y la línea descendente queda atrás, lo que indica tixotropía.

La dependencia del tiempo del esfuerzo cortante se conoce como resistencia reológica.La resistencia reológica es un comportamiento característico de los líquidos viscoelásticos y de los líquidos con estructuras tixotrópicas.Se encuentra que cuanto mayor es y en la misma fracción de masa, más rápido alcanza r el equilibrio y la dependencia del tiempo es menor;a una fracción de masa más baja (<2%), el CCE no muestra resistencia reológica.Cuando la fracción de masa aumenta al 2,5%, muestra una fuerte dependencia del tiempo (Fig. 4), y se necesitan unos 10 minutos para alcanzar el equilibrio, mientras que al 3,0%, el tiempo de equilibrio tarda 50 minutos.La buena tixotropía del sistema favorece la aplicación práctica.

2.2.2 El efecto de la densidad de carga:Se selecciona la forma logarítmica de la fórmula empírica de Spencer-Dillon, en la que la viscosidad de corte cero, b, es constante a la misma concentración y diferente temperatura, y aumenta con el aumento de la concentración a la misma temperatura.Según la ecuación de la ley de potencia adoptada por Onogi en 1966, M es la masa molecular relativa del polímero, A y B son constantes y c es la fracción de masa (%).Higo．5 Las tres curvas tienen puntos de inflexión obvios en torno al 0,6%, es decir, hay una fracción de masa crítica.Más del 0,6%, la viscosidad de corte cero aumenta rápidamente con el aumento de la concentración C. Las curvas de las tres muestras con diferentes densidades de carga son muy cercanas.Por el contrario, cuando la fracción de masa está entre 0,2% y 0,8%, la viscosidad de corte cero de la muestra LR con la densidad de carga más pequeña es la mayor, porque la asociación del enlace de hidrógeno requiere un cierto contacto.Por tanto, la densidad de carga está estrechamente relacionada con si las macromoléculas pueden disponerse de manera ordenada y compacta;A través de la prueba DSC, se encuentra que LR tiene un pico de cristalización débil, lo que indica una densidad de carga adecuada, y la viscosidad de corte cero es mayor a la misma concentración.Cuando la fracción de masa es inferior al 0,2%, LR es la más pequeña, porque en solución diluida, es más probable que las macromoléculas con baja densidad de carga formen una orientación helicoidal, por lo que la viscosidad de corte cero es baja.Esto tiene una buena importancia orientativa en términos del rendimiento espesante.

2.2.3 efecto del pH: La Fig. 6 es el resultado medido a diferentes pH dentro del rango de 0,05% a 2,5% de fracción en masa.Hay un punto de inflexión alrededor del 0,45%, pero las tres curvas casi se superponen, lo que indica que el pH no tiene ningún efecto obvio sobre la viscosidad de corte cero, que es bastante diferente de la sensibilidad del éter de celulosa aniónico al pH.

3. Conclusión

LLS estudia la solución acuosa diluida KG-30M y la distribución de radio hidrodinámico obtenida es un pico único.A partir de la dependencia del ángulo y la relación Rg/Rb, se puede inferir que su forma es casi esférica, pero no lo suficientemente regular.Para las soluciones de CCE con tres densidades de carga, la viscosidad aumenta con el aumento de la concentración, pero el número de caza de Newton n primero disminuye, luego fluctúa e incluso aumenta;El pH tiene poco efecto sobre la viscosidad y una densidad de carga moderada puede obtener una viscosidad más alta.