Kationisen selluloosaeetteriliuoksen ominaisuudet

Korkean varaustiheyden kationisen selluloosaeetterin (KG-30M) laimean liuoksen ominaisuuksia eri pH-arvoissa tutkittiin lasersirotusinstrumentilla, hydrodynaamisesta säteestä (Rh) eri kulmissa ja pyörimissäteen neliökeskiarvosta. Rg Suhde Rh:een päättelee, että sen muoto on epäsäännöllinen, mutta lähellä pallomaista.Sitten reometrin avulla tutkittiin yksityiskohtaisesti kolmea tiivistettyä kationisten selluloosaeetterien liuosta, joilla on eri varaustiheydet, ja pohdittiin pitoisuuden, pH-arvon ja oman varaustiheyden vaikutusta sen reologisiin ominaisuuksiin.Pitoisuuden kasvaessa Newtonin eksponentti ensin pieneni ja sitten pieneni.Fluktuaatiota tai jopa reboundia esiintyy, ja tiksotrooppista käyttäytymistä esiintyy 3 %:ssa (massaosuus).Kohtalainen varaustiheys on hyödyllinen korkeamman nolla-leikkausviskositeetin saavuttamiseksi, ja pH:lla on vain vähän vaikutusta sen viskositeettiin.

Avainsanat:kationinen selluloosaeetteri;morfologia;nolla leikkausviskositeetti;reologia

Selluloosajohdannaisia ​​ja niiden muunnettuja funktionaalisia polymeerejä on käytetty laajasti fysiologisten ja hygieniatuotteiden, petrokemian, lääkkeiden, elintarvikkeiden, henkilökohtaisen hygieniatuotteiden, pakkausten jne. aloilla. Vesiliukoinen kationinen selluloosaeetteri (CCE) johtuu sen Voimakkaasta sakeuttamisesta. kyky, sitä käytetään laajasti päivittäisissä kemikaaleissa, erityisesti shampoissa, ja se voi parantaa hiusten kammattavuutta shampoopesun jälkeen.Samalla hyvän yhteensopivuuden ansiosta sitä voidaan käyttää kaksi-yhdessä- ja all-in-one-shampooissa.Sillä on myös hyvät sovellusmahdollisuudet, ja se on herättänyt huomiota useissa maissa.Kirjallisuudessa on raportoitu, että selluloosajohdannaisliuokset osoittavat käyttäytymistä, kuten Newtonin neste, pseudoplastinen neste, tiksotrooppinen neste ja viskoelastinen neste pitoisuuden kasvaessa, mutta kationisen selluloosaeetterin morfologia, reologia ja vaikuttavat tekijät vesiliuoksessa. tutkimusraportteja.Tässä artikkelissa keskitytään kvaternaarisen ammoniumilla modifioidun selluloosan vesiliuoksen reologiseen käyttäytymiseen, jotta voidaan tarjota referenssi käytännön sovelluksiin.

1. Kokeellinen osa

1.1 Raaka-aineet

Kationinen selluloosaeetteri (KG-30M, JR-30M, LR-30M);Kanada Dow Chemical Companyn tuote, Procter & Gamble Company Kobe R&D Center Japanissa, mitattu Vario EL -alkuaineanalysaattorilla (German Elemental Company), näyte Typpipitoisuus on vastaavasti 2,7 %, 1,8 %, 1,0 % (varaustiheys on 1,9 Meq/g, 1,25 Meq/g, 0,7 Meq/g), ja se on testattu saksalaisella ALV-5000E laservalon sirontainstrumentilla (LLS), jonka painokeskimääräinen molekyylipaino on noin 1,64.×106 g/mol.

1.2 Liuoksen valmistus

Näyte puhdistettiin suodattamalla, dialyysillä ja pakastekuivaamalla.Punnitaan kolmen kvantitatiivisen näytteen sarja ja lisätään standardipuskuriliuosta, jonka pH on 4,00, 6,86, 9,18 vaaditun pitoisuuden valmistamiseksi.Sen varmistamiseksi, että näytteet olivat täysin liuenneet, kaikki näyteliuokset asetettiin magneettisekoittimelle 48 tunniksi ennen testausta.

1.3 Valonsirontamittaus

Mittaa LLS:n avulla näytteen painokeskimääräinen molekyylipaino laimeassa vesiliuoksessa, hydrodynaaminen säde ja pyörimissäteen keskiarvo, kun toinen Villi-kerroin ja eri kulmat,) ja päättele, että tämä kationinen selluloosaeetteri on vesiliuos sen suhteen tilan perusteella.

1.4 Viskositeettimittaus ja reologinen tutkimus

Konsentroitua CCE-liuosta tutkittiin Brookfield RVDV-III+ -reometrillä ja pitoisuuden, varaustiheyden ja pH-arvon vaikutusta reologisiin ominaisuuksiin, kuten näytteen viskositeettiin.Suuremmilla pitoisuuksilla on tarpeen tutkia sen tiksotropiaa.

2. Tulokset ja keskustelu

2.1 Valonsirontatutkimus

Erityisestä molekyylirakenteestaan ​​johtuen sitä on vaikea olla olemassa yksittäisen molekyylin muodossa edes hyvässä liuottimessa, mutta tiettyjen stabiilien misellien, klustereiden tai yhdistysten muodossa.

Kun CCE:n laimeaa vesiliuosta (~ 0,1 %) tarkkailtiin polarisoivalla mikroskoopilla, mustan ristikkäisen ortogonaalisen kentän taustalla ilmestyi "tähti" kirkkaita täpliä ja kirkkaita palkkeja.Sille on lisäksi tunnusomaista valon sironta, dynaaminen hydrodynaaminen säde eri pH-arvoissa ja kulmissa, pyörimisen neliökeskiarvo ja Berry-diagrammista saatu toinen Villi-kerroin on lueteltu taulukossa.1. Konsentraatiolla 10-5 saatu hydrodynaamisen sädefunktion jakaumakäyrä on pääosin yksi piikki, mutta jakauma on erittäin laaja (kuva 1), mikä osoittaa, että järjestelmässä on molekyylitason assosiaatioita ja suuria aggregaatteja. ;Muutoksia on, ja Rg/Rb-arvot ovat kaikki noin 0,775, mikä osoittaa, että CCE:n muoto liuoksessa on lähellä pallomaista, mutta ei tarpeeksi säännöllistä.pH:n vaikutus Rb:hen ja Rg:hen ei ole ilmeinen.Puskuriliuoksen vastaioni on vuorovaikutuksessa CCE:n kanssa suojatakseen sen sivuketjun varauksen ja saada sen kutistumaan, mutta ero vaihtelee vastaionin tyypin mukaan.Varautuneiden polymeerien valonsirontamittaus on herkkä pitkän kantaman voimavuorovaikutukselle ja ulkoisille häiriöille, joten LLS-karakterisoinnissa on tiettyjä virheitä ja rajoituksia.Kun massaosuus on suurempi kuin 0,02 %, Rh-jakaumakaaviossa on enimmäkseen erottamattomia kaksoispiikkejä tai jopa useita huippuja.Kun pitoisuus kasvaa, myös Rh kasvaa, mikä osoittaa, että enemmän makromolekyylejä liittyy tai jopa aggregoituu.Kun Cao et ai.käytti valonsirontaa tutkiessaan karboksimetyyliselluloosan ja pinta-aktiivisten makromeerien kopolymeeriä, oli myös erottamattomia kaksoispiikkejä, joista toinen oli 30 nm ja 100 nm välillä, mikä edustaa misellien muodostumista molekyylitasolla, ja toinen Rh-piikki on suhteellisen suuri, jota pidetään aggregaattina, mikä on samanlainen kuin tässä artikkelissa määritetyt tulokset.

2.2 Reologisen käyttäytymisen tutkimus

2.2.1 Pitoisuuden vaikutus:Mittaa KG-30M-liuosten näennäinen viskositeetti eri pitoisuuksilla eri leikkausnopeuksilla ja Ostwald-Dewaelen ehdottaman teholain yhtälön logaritmisen muodon mukaisesti, kun massaosuus ei ylitä 0,7 % , ja sarja suoria viivoja joiden lineaariset korrelaatiokertoimet olivat suurempia kuin 0,99.Ja kun pitoisuus kasvaa, Newtonin eksponentin n arvo pienenee (kaikki alle 1), mikä osoittaa ilmeisen pseudoplastisen nesteen.Leikkausvoiman ohjaamana makromolekyyliketjut alkavat purkaa ja orientoitua, jolloin viskositeetti laskee.Kun massaosuus on suurempi kuin 0,7 %, saadun suoran lineaarinen korrelaatiokerroin pienenee (noin 0,98), ja n alkaa vaihdella tai jopa nousta pitoisuuden kasvaessa;kun massaosuus saavuttaa 3 % (kuva 2), taulukko Näennäinen viskositeetti ensin kasvaa ja sitten laskee leikkausnopeuden kasvaessa.Tämä ilmiösarja eroaa muiden anionisten ja kationisten polymeeriliuosten raporteista.n-arvo nousee, eli ei-Newtonin ominaisuus heikkenee;Newtonin neste on viskoosi neste, ja molekyylien välinen liukuminen tapahtuu leikkausjännityksen vaikutuksesta, eikä sitä voida ottaa talteen;ei-newtonilainen neste sisältää palautuvan elastisen osan ja palautumattoman viskoosin osan.Leikkausjännityksen vaikutuksesta syntyy peruuttamaton liukuminen molekyylien välillä, ja samalla, koska makromolekyylit venyvät ja suuntautuvat leikkausvoimalla, muodostuu palautuva elastinen osa.Kun ulkoinen voima poistetaan, makromolekyylit pyrkivät palaamaan alkuperäiseen käpristyneeseen muotoon, joten n:n arvo nousee.Keskittyminen jatkaa kasvuaan muodostaen verkostorakenteen.Kun leikkausjännitys on pieni, se ei tuhoudu ja tapahtuu vain elastinen muodonmuutos.Tällä hetkellä elastisuus paranee suhteellisesti, viskositeetti heikkenee ja n:n arvo pienenee;kun taas leikkausjännitys kasvaa vähitellen mittausprosessin aikana, joten n Arvo vaihtelee.Kun massaosuus saavuttaa 3 %, näennäinen viskositeetti ensin kasvaa ja sitten laskee, koska pieni leikkausvoima edistää makromolekyylien törmäystä muodostaen suuria aggregaatteja, jolloin viskositeetti nousee ja leikkausjännitys jatkaa aggregaattien rikkomista., viskositeetti laskee jälleen.

Tiksotropiatutkimuksessa aseta nopeus (r/min) saavuttamaan haluttu y, lisää nopeutta säännöllisin väliajoin, kunnes se saavuttaa asetetun arvon, ja pudota sitten nopeasti maksiminopeudesta takaisin alkuarvoon saadaksesi vastaava Leikkausjännitys, sen suhde leikkausnopeuteen on esitetty kuvassa 3. Kun massaosuus on alle 2,5 %, käyrä ylöspäin ja alaspäin menevät täysin päällekkäin, mutta kun massaosuus on 3 %, kaksi viivaa ei pidempi päällekkäisyys ja alaspäin suuntautuva viiva jäljessä, mikä osoittaa tiksotropiaa.

Leikkausjännityksen aikariippuvuus tunnetaan reologisena vastuksena.Reologinen vastustuskyky on viskoelastisille ja tiksotrooppisen rakenteellisille nesteille ominaista käyttäytymistä.On havaittu, että mitä suurempi y on samalla massa-osuudella, sitä nopeammin r saavuttaa tasapainon ja aikariippuvuus on pienempi;pienemmällä massaosuudella (<2 %) CCE ei osoita reologista vastustuskykyä.Kun massaosuus kasvaa 2,5 %:iin, se osoittaa voimakasta aikariippuvuutta (kuvio 4), ja tasapainon saavuttaminen kestää noin 10 minuuttia, kun taas 3,0 %:ssa tasapainotusaika kestää 50 minuuttia.Järjestelmän hyvä tiksotropia on suotuisa käytännön soveltamiseen.

2.2.2 Varaustiheyden vaikutus:valitaan Spencer-Dillonin empiirisen kaavan logaritminen muoto, jossa nollaviskositeetti, b on vakio samassa pitoisuudessa ja eri lämpötilassa ja kasvaa pitoisuuden kasvaessa samassa lämpötilassa.Onogin vuonna 1966 hyväksymän teholakiyhtälön mukaan M on polymeerin suhteellinen molekyylimassa, A ja B ovat vakioita ja c on massaosuus (%).Kuva．5 Kolmen käyrän ilmeiset käännepisteet ovat noin 0,6 %, eli kriittinen massaosuus on olemassa.Yli 0,6 % nollaleikkausviskositeetti kasvaa nopeasti pitoisuuden C kasvaessa. Kolmen eri varaustiheyden omaavan näytteen käyrät ovat hyvin lähellä toisiaan.Sitä vastoin kun massaosuus on välillä 0,2 % - 0,8 %, pienimmän varaustiheyden omaavan LR-näytteen nollaviskositeetti on suurin, koska vetysidosassosiaatio vaatii tietyn kontaktin.Siksi varaustiheys liittyy läheisesti siihen, voidaanko makromolekyylit järjestää järjestyksessä ja kompaktilla tavalla;DSC-testauksen avulla havaitaan, että LR:llä on heikko kiteytyshuippu, mikä osoittaa sopivaa varaustiheyttä, ja nollaleikkausviskositeetti on korkeampi samalla pitoisuudella.Kun massaosuus on alle 0,2 %, LR on pienin, koska laimeassa liuoksessa makromolekyylit, joilla on pieni varaustiheys, muodostavat todennäköisemmin kelaorientaatiota, joten nollaleikkausviskositeetti on alhainen.Tällä on hyvä ohjaava merkitys sakeutussuorituskyvyn kannalta.

2.2.3 pH-vaikutus: Kuvio 6 on tulos mitattuna eri pH-arvoilla välillä 0,05 - 2,5 massaosuus.Käännepiste on noin 0,45 %, mutta kolme käyrää menevät melkein päällekkäin, mikä osoittaa, että pH:lla ei ole selvää vaikutusta nollaleikkausviskositeettiin, joka on aivan erilainen kuin anionisen selluloosaeetterin herkkyys pH:lle.

3. Johtopäätös

KG-30M laimeaa vesiliuosta tutkii LLS, ja saatu hydrodynaaminen sädejakauma on yksi piikki.Kulmariippuvuudesta ja Rg/Rb-suhteesta voidaan päätellä, että sen muoto on lähellä pallomaista, mutta ei tarpeeksi säännöllistä.Kolmen varaustiheyden CCE-liuoksilla viskositeetti kasvaa pitoisuuden kasvaessa, mutta Newtonin metsästysluku n ensin pienenee, sitten vaihtelee ja jopa nousee;pH:lla on vähän vaikutusta viskositeettiin, ja kohtalainen varaustiheys voi saada korkeamman viskositeetin.