ผลกระทบขององค์ประกอบแทนที่และน้ำหนักโมเลกุลต่อสมบัติพื้นผิวของเซลลูโลสอีเทอร์ชนิดไม่มีประจุ

ตามทฤษฎีการทำให้มีขึ้นของวอชเบิร์น (ทฤษฎีการเจาะ) และทฤษฎีการรวมกัน (ทฤษฎีการรวม) ของฟาน ออสส์-กู๊ด-ชอมฮูรี และการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีไส้ตะเกียงแบบเสา (Column Wicking Technique) เซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกหลายชนิด เช่น เมทิลเซลลูโลส คุณสมบัติพื้นผิวของ ทดสอบเซลลูโลส ไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลส และไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเนื่องจากองค์ประกอบที่แตกต่างกัน ระดับของการแทนที่ และน้ำหนักโมเลกุลของเซลลูโลสอีเทอร์เหล่านี้ พลังงานที่พื้นผิวและส่วนประกอบของพวกมันจึงแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญข้อมูลแสดงให้เห็นว่าฐานของลิวอิสของเซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่มีไอออนนั้นมีขนาดใหญ่กว่ากรดลิวอิส และส่วนประกอบหลักของพลังงานที่ปราศจากพื้นผิวคือแรงลิฟชิทซ์-แวน เดอร์ วาลส์พลังงานพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลและองค์ประกอบของมันมีค่ามากกว่าไฮดรอกซีเมทิลภายใต้หลักการของหมู่แทนที่เดียวกันและระดับของการแทนที่ พลังงานที่ปราศจากพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสจะเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักโมเลกุลในขณะที่พลังงานที่ปราศจากพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเป็นสัดส่วนกับระดับของการแทนที่และแปรผกผันกับน้ำหนักโมเลกุลการทดลองยังพบว่าพลังงานพื้นผิวขององค์ประกอบแทนไฮดรอกซีโพรพิลและไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลในเซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกดูเหมือนจะมากกว่าพลังงานพื้นผิวของเซลลูโลส และการทดลองพิสูจน์ว่าพลังงานพื้นผิวของเซลลูโลสที่ทดสอบและองค์ประกอบของข้อมูลคือ สอดคล้องกับวรรณกรรม

คำสำคัญ: อีเทอร์เซลลูโลสที่ไม่มีประจุ;จำนวนแทนที่และระดับของการแทนที่น้ำหนักโมเลกุลคุณสมบัติของพื้นผิวเทคโนโลยีไส้ตะเกียง

เซลลูโลสอีเทอร์เป็นอนุพันธ์ของเซลลูโลสประเภทใหญ่ ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นอีเทอร์ประจุลบ ไอออนบวก และอีเทอร์ที่ไม่มีประจุตามโครงสร้างทางเคมีขององค์ประกอบแทนที่อีเทอร์ของพวกมันเซลลูโลสอีเทอร์ยังเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์แรกสุดที่ได้รับการวิจัยและผลิตในเคมีพอลิเมอร์จนถึงตอนนี้ เซลลูโลสอีเทอร์ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยา สุขอนามัย เครื่องสำอาง และอาหาร

แม้ว่าเซลลูโลสอีเทอร์ เช่น ไฮดรอกซีเมทิลเซลลูโลส ไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลส และไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส จะถูกผลิตขึ้นในเชิงอุตสาหกรรม และมีการศึกษาคุณสมบัติหลายอย่างของพวกมัน แต่ยังไม่มีรายงานเกี่ยวกับพลังงานพื้นผิว คุณสมบัติของกรด ด่าง-ปฏิกิริยาเนื่องจากผลิตภัณฑ์เหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่เป็นของเหลว และลักษณะพื้นผิวโดยเฉพาะอย่างยิ่งลักษณะปฏิกิริยาของกรด-เบส มีแนวโน้มที่จะส่งผลกระทบต่อการใช้งาน จึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องศึกษาและทำความเข้าใจลักษณะทางเคมีของพื้นผิวของเซลลูโลสอีเทอร์เชิงพาณิชย์นี้

เมื่อพิจารณาว่าตัวอย่างของอนุพันธ์เซลลูโลสนั้นเปลี่ยนแปลงได้ง่ายมากเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขการเตรียม บทความนี้จึงใช้ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์เป็นตัวอย่างเพื่อระบุลักษณะของพลังงานพื้นผิว และด้วยเหตุนี้ อิทธิพลขององค์ประกอบย่อยและน้ำหนักโมเลกุลของผลิตภัณฑ์ดังกล่าวบนพื้นผิว มีการศึกษาคุณสมบัติ

1. ส่วนการทดลอง

1.1 วัตถุดิบ

เซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกที่ใช้ในการทดลองเป็นผลิตภัณฑ์ของคิมา เคมีคอล บจก,.กลุ่มตัวอย่างไม่ได้รับการบำบัดใด ๆ ก่อนทำการทดสอบ

เมื่อพิจารณาว่าอนุพันธ์ของเซลลูโลสทำมาจากเซลลูโลส โครงสร้างทั้งสองจึงใกล้เคียงกัน และมีการรายงานคุณสมบัติของพื้นผิวของเซลลูโลสในวรรณกรรม ดังนั้นบทความนี้จึงใช้เซลลูโลสเป็นตัวอย่างมาตรฐานตัวอย่างเซลลูโลสที่ใช้มีชื่อรหัสว่า C8002 และซื้อมาจากคิมา, CN.ตัวอย่างไม่ได้รับการรักษาใด ๆ ในระหว่างการทดสอบ

รีเอเจนต์ที่ใช้ในการทดลอง ได้แก่ อีเทน ไดไอโอโดมีเทน น้ำปราศจากไอออน ฟอร์มาไมด์ โทลูอีน คลอโรฟอร์มของเหลวทั้งหมดเป็นผลิตภัณฑ์บริสุทธิ์เชิงวิเคราะห์ ยกเว้นน้ำซึ่งมีจำหน่ายทั่วไป

1.2 วิธีการทดลอง

ในการทดลองนี้ มีการใช้เทคนิคการดูดแบบคอลัมน์ และปิเปตมาตรฐานขนาดประมาณ 10 ซม. ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 3 มม. ถูกตัดเป็นท่อคอลัมน์ใส่ตัวอย่างที่เป็นผง 200 มก. ลงในหลอดคอลัมน์ในแต่ละครั้ง จากนั้นเขย่าเพื่อให้สม่ำเสมอ และวางในแนวตั้งที่ด้านล่างของภาชนะแก้วที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในประมาณ 3 ซม. เพื่อให้สามารถดูดซับของเหลวได้เองชั่งน้ำหนักของเหลวที่จะทดสอบ 1 มล. แล้วใส่ลงในภาชนะแก้ว และบันทึกเวลาแช่ t และระยะแช่ X พร้อมกันการทดลองทั้งหมดทำที่อุณหภูมิห้อง (25±1°ค).ข้อมูลแต่ละรายการเป็นค่าเฉลี่ยของการทดลองซ้ำสามครั้ง

1.3 การคำนวณข้อมูลการทดลอง

พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการประยุกต์ใช้เทคนิคการดูดฝุ่นในคอลัมน์เพื่อทดสอบพลังงานพื้นผิวของวัสดุผงคือสมการการซึมผ่านของวอชเบิร์น (สมการการแทรกซึมของวอชเบิร์น)

1.3.1 การหาค่ารัศมีประสิทธิผลของเส้นเลือดฝอยอ้างอิงของตัวอย่างที่วัดได้

เมื่อใช้สูตรการแช่ Washburn เงื่อนไขสำหรับการทำให้เปียกอย่างสมบูรณ์คือ cos=1ซึ่งหมายความว่าเมื่อของเหลวถูกเลือกให้จุ่มลงในของแข็งเพื่อให้ได้สภาวะที่เปียกเต็มที่ เราสามารถคำนวณ Reff รัศมีประสิทธิผลของคาพิลลารีของตัวอย่างที่วัดได้โดยการทดสอบระยะทางและเวลาแช่ตามกรณีพิเศษของสูตรการแช่ Washburn

1.3.2 การคำนวณแรง Lifshitz-van der Waals สำหรับตัวอย่างที่วัดได้

ตามกฎการรวมของ van Oss-Chaudhury-Good ความสัมพันธ์ระหว่างปฏิกิริยาระหว่างของเหลวและของแข็ง

1.3.3 การคำนวณหาแรงกรด-เบสของลิวอิสของตัวอย่างที่วัดได้

โดยทั่วไป คุณสมบัติความเป็นกรด-ด่างของของแข็งจะประเมินจากข้อมูลที่ชุบน้ำและฟอร์มาไมด์แต่ในบทความนี้ เราพบว่าไม่มีปัญหาเมื่อใช้ของเหลวที่มีขั้วคู่นี้เพื่อวัดเซลลูโลส แต่ในการทดสอบเซลลูโลสอีเทอร์ เนื่องจากความสูงของการจุ่มของระบบสารละลายที่มีขั้วของน้ำ/ฟอร์มาไมด์ในเซลลูโลสอีเทอร์นั้นต่ำเกินไป ทำให้บันทึกเวลาได้ยากมากดังนั้นจึงเลือกระบบสารละลายโทลูอีน/คลอโรฟอร์มที่ Chibowsk นำมาใช้จากข้อมูลของ Chibowski ระบบสารละลายโพลาร์ของโทลูอีน/คลอโรฟอร์มก็เป็นตัวเลือกเช่นกันเนื่องจากของเหลวทั้งสองชนิดนี้มีความเป็นกรดและด่างมากเป็นพิเศษ เช่น โทลูอีนไม่มีความเป็นกรดลิวอิส และคลอโรฟอร์มไม่มีความเป็นด่างลิวอิสเพื่อให้ได้ข้อมูลที่ได้จากระบบสารละลายโทลูอีน/คลอโรฟอร์มที่ใกล้เคียงกับระบบสารละลายที่มีขั้วของน้ำ/ฟอร์มาไมด์ที่แนะนำ เราจึงใช้ระบบของเหลวที่มีขั้วทั้งสองนี้เพื่อทดสอบเซลลูโลสพร้อมกัน จากนั้นจึงได้รับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวหรือการหดตัวที่สอดคล้องกัน ก่อนนำไปใช้ ข้อมูลที่ได้จากการชุบเซลลูโลสอีเทอร์ด้วยโทลูอีน/คลอโรฟอร์มนั้นใกล้เคียงกับข้อสรุปที่ได้จากระบบน้ำ/ฟอร์มาไมด์เนื่องจากเซลลูโลสอีเทอร์ได้มาจากเซลลูโลสและมีโครงสร้างที่คล้ายกันมากระหว่างทั้งสอง วิธีการประมาณค่านี้จึงอาจใช้ได้

1.3.4 การคำนวณพลังงานที่ปราศจากพื้นผิวทั้งหมด

2. ผลลัพธ์และการอภิปราย

2.1 มาตรฐานเซลลูโลส

เนื่องจากผลการทดสอบของเราในตัวอย่างมาตรฐานของเซลลูโลสพบว่าข้อมูลเหล่านี้สอดคล้องกับข้อมูลที่รายงานในวรรณกรรม จึงมีเหตุผลที่จะเชื่อได้ว่าควรพิจารณาผลการทดสอบเซลลูโลสอีเทอร์ด้วย

2.2 ผลการทดสอบและการอภิปรายของเซลลูโลสอีเทอร์

ในระหว่างการทดสอบเซลลูโลสอีเทอร์ การบันทึกระยะทางและเวลาที่แช่นั้นทำได้ยากมาก เนื่องจากความสูงของน้ำและฟอร์มาไมด์ที่จุ่มอยู่ต่ำมากดังนั้น บทความนี้จึงเลือกระบบสารละลายโทลูอีน/คลอโรฟอร์มเป็นสารละลายทางเลือก และประเมินความเป็นกรดของลิวอิสของเซลลูโลสอีเทอร์ตามผลการทดสอบของน้ำ/ฟอร์มาไมด์และโทลูอีน/คลอโรฟอร์มบนเซลลูโลสและความสัมพันธ์ตามสัดส่วนระหว่างระบบสารละลายทั้งสองและพลังอัลคาไลน์

เมื่อใช้เซลลูโลสเป็นตัวอย่างมาตรฐาน ชุดของลักษณะกรด-เบสของเซลลูโลสอีเทอร์จะได้รับเนื่องจากผลของการทำให้เซลลูโลสอีเทอร์ชุ่มด้วยโทลูอีน/คลอโรฟอร์มได้รับการทดสอบโดยตรง จึงน่าเชื่อ

ซึ่งหมายความว่าชนิดและน้ำหนักโมเลกุลของหมู่แทนที่มีผลต่อคุณสมบัติความเป็นกรดเบสของเซลลูโลสอีเทอร์ และความสัมพันธ์ระหว่างหมู่แทนที่สองหมู่ คือ ไฮดรอกซีโพรพิลและไฮดรอกซีโพรพิลเมทิล ต่อคุณสมบัติความเป็นกรดเบสของเซลลูโลสอีเทอร์และน้ำหนักโมเลกุลตรงข้ามกันอย่างสิ้นเชิงแต่ก็อาจเกี่ยวข้องกับข้อเท็จจริงที่ว่าสมาชิกสภาผู้แทนราษฎรเป็นผู้แทนแบบผสม

เนื่องจากหมู่แทนที่ของ MO43 และ K8913 แตกต่างกันและมีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากัน ตัวอย่างเช่น หมู่แทนที่ของหมู่แรกคือไฮดรอกซีเมทิลและหมู่แทนที่ของหมู่หลังคือไฮดรอกซีโพรพิล แต่น้ำหนักโมเลกุลของทั้งสองหมู่คือ 100,000 ดังนั้นจึงหมายความว่า ข้อสันนิษฐานของน้ำหนักโมเลกุลเท่ากัน ภายใต้สถานการณ์นี้ S+ และ S- ของหมู่ไฮดรอกซีเมทิลอาจน้อยกว่าหมู่ไฮดรอกซีโพรพิลแต่ระดับการแทนที่ก็เป็นไปได้เช่นกัน เพราะระดับการแทนที่ของ K8913 อยู่ที่ประมาณ 3.00 ในขณะที่ MO43 อยู่ที่ 1.90 เท่านั้น

เนื่องจากระดับการแทนที่และหมู่แทนที่ของ K8913 และ K9113 เท่ากันแต่น้ำหนักโมเลกุลต่างกันเท่านั้น การเปรียบเทียบระหว่างทั้งสองแสดงให้เห็นว่า S+ ของไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสลดลงเมื่อน้ำหนักโมเลกุลเพิ่มขึ้น แต่ S- เพิ่มขึ้นในทางตรงกันข้าม.

จากสรุปผลการทดสอบพลังงานพื้นผิวของเซลลูโลสอีเทอร์ทั้งหมดและส่วนประกอบของเซลลูโลสอีเทอร์ จะเห็นได้ว่าไม่ว่าจะเป็นเซลลูโลสหรือเซลลูโลสอีเทอร์ ส่วนประกอบหลักของพลังงานพื้นผิวของเซลลูโลสอีเทอร์คือแรงลิฟชิทซ์-แวนเดอร์วาลส์ ซึ่งคิดเป็น ประมาณ 98%~99%ยิ่งไปกว่านั้น แรง Lifshitz-van der Waals ของเซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่มีประจุเหล่านี้ (ยกเว้น MO43) ส่วนใหญ่จะมากกว่าแรงของเซลลูโลสด้วย ซึ่งบ่งชี้ว่ากระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชันของเซลลูโลสก็เป็นกระบวนการเพิ่มแรงของ Lifshitz-van der Waals เช่นกันและการเพิ่มขึ้นเหล่านี้ทำให้พลังงานพื้นผิวของเซลลูโลสอีเทอร์มีค่ามากกว่าเซลลูโลสปรากฏการณ์นี้น่าสนใจมากเนื่องจากเซลลูโลสอีเทอร์เหล่านี้มักใช้ในการผลิตสารลดแรงตึงผิวแต่ข้อมูลเป็นที่น่าสังเกต ไม่เพียงเพราะข้อมูลเกี่ยวกับตัวอย่างมาตรฐานอ้างอิงที่ทดสอบในการทดลองนี้มีความสอดคล้องอย่างยิ่งกับค่าที่รายงานในเอกสารประกอบ ข้อมูลเกี่ยวกับตัวอย่างมาตรฐานอ้างอิงนั้นสอดคล้องอย่างยิ่งกับค่าที่รายงานในเอกสารสำหรับ ตัวอย่าง: เซลลูโลสทั้งหมดนี้ SAB ของอีเทอร์มีขนาดเล็กกว่าเซลลูโลสอย่างมาก และนี่เป็นเพราะฐานของลูอิสที่ใหญ่มากภายใต้สมมติฐานของหมู่แทนที่เดียวกันและระดับของการแทนที่ พลังงานที่ปราศจากพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสจะเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักโมเลกุลในขณะที่พลังงานที่ปราศจากพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเป็นสัดส่วนกับระดับของการแทนที่และแปรผกผันกับน้ำหนักโมเลกุล

นอกจากนี้ เนื่องจากเซลลูโลสอีเทอร์มี SLW มากกว่าเซลลูโลส แต่เรารู้อยู่แล้วว่าความสามารถในการกระจายตัวของพวกมันดีกว่าเซลลูโลส ดังนั้นจึงสามารถพิจารณาได้ในเบื้องต้นว่าองค์ประกอบหลักของ SLW ที่ประกอบด้วยเซลลูโลสอีเทอร์แบบไม่มีประจุควรเป็นแรงลอนดอน

3. บทสรุป

จากการศึกษาพบว่าชนิดของหมู่แทนที่ ระดับของการแทนที่ และน้ำหนักโมเลกุลมีอิทธิพลอย่างมากต่อพลังงานพื้นผิวและองค์ประกอบของเซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่มีประจุและเอฟเฟกต์นี้ดูเหมือนจะมีความสม่ำเสมอดังต่อไปนี้:

(1) S+ ของเซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่อิออนมีค่าน้อยกว่า S-

(2) พลังงานพื้นผิวของเซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่มีประจุถูกครอบงำโดยแรงของ Lifshitz-van der Waals

(3) น้ำหนักโมเลกุลและหมู่แทนที่มีผลต่อพลังงานพื้นผิวของเซลลูโลสอีเทอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิก แต่ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับชนิดของหมู่แทนที่

(4) ภายใต้สมมติฐานของหมู่แทนที่เดียวกันและระดับของการแทนที่ พลังงานที่ปราศจากพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสจะเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักโมเลกุลในขณะที่พลังงานที่ปราศจากพื้นผิวของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเป็นสัดส่วนกับระดับของการแทนที่และแปรผกผันกับน้ำหนักโมเลกุล

(5) กระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชันของเซลลูโลสเป็นกระบวนการที่แรง Lifshitz-van der Waals เพิ่มขึ้น และยังเป็นกระบวนการที่ความเป็นกรดของลิวอิสลดลงและความเป็นด่างของลิวอิสเพิ่มขึ้น