Deriváty celulózy jsou třídou chemicky modifikovaných polymerů přirozených celulózy. Vzhledem k jejich vynikající rozpustnosti vody, výkonu úpravy viskozity a citlivosti na vnější podmínky, jako je teplota a pH, se široce používají ve stavebních materiálech, povlacích, lécích, potravinách a kosmetice. Funkce kontroly viskozity celulózového etheru je jednou z hlavních charakteristik jeho široké aplikace v mnoha průmyslových a denních aplikacích.
1. Struktura a klasifikace etherů celulózy
Deriváty celulózy jsou připraveny z přirozené celulózy prostřednictvím etherifikační reakce. Celulóza je polymerní sloučenina tvořená monomery glukózy spojené p-1,4-glykosidickými vazbami. Proces přípravy celulózového etheru obvykle zahrnuje reakci hydroxylové (-oH) části celulózy s etherifikačním činidlem pro generování derivátů celulózy s různými substituenty (jako je methoxy, hydroxyethyl, hydroxypropyl atd.).
Mezi běžné deriváty celulózového etheru v závislosti na substituentu patří methyllulóza (MC), hydroxyethylcelulóza (HEC), hydroxypropylmethylcelulóza (HPMC), karboxymethyllulóza (CMC) atd. Počet a poloha substituentů nejen ovlivňuje rozpustnost ve vodě celulózových etherů, ale také se přímo vztahuje k jejich schopnosti vytvářející viskozitu ve vodných roztocích.
2. Mechanismus formování viskozity
Účinek etherů celulózy regulující viskozitu pochází hlavně z jejich rozpuštění ve vodě a prodloužení molekulárních řetězců. Když jsou celulózové ethery rozpuštěny ve vodě, polární skupiny vytvářejí vodíkové vazby s molekulami vody, což způsobuje, že se molekulární řetězce celulózy rozvine ve vodě, což vede k „zamotanému“ molekuly vody kolem molekul celulózy, což zvyšuje vnitřní tření vody a tím se zvyšuje viskozitu roztoku.
Velikost viskozity úzce souvisí s molekulovou hmotností, typem substituentu, stupněm substituce (DS) a stupněm polymerace (DP) celulózových etherů. Obecně platí, že čím větší je molekulová hmotnost celulózových etherů a čím delší je molekulární řetězec, tím vyšší je viskozita roztoku. Současně různé substituenty ovlivňují hydrofilitu molekul celulózového etheru, a proto ovlivňují jejich rozpustnost a viskozitu ve vodě. Například HPMC má dobrou rozpustnost vody a stabilitu viskozity díky své hydroxypropyl a methylové substituenty. CMC však má vyšší viskozitu, protože zavádí negativně nabité karboxylové skupiny, které mohou silněji interagovat s molekulami vody ve vodném roztoku.
3. Vliv vnějších faktorů na viskozitu
Viskozita celulózového etheru závisí nejen na jeho vlastní struktuře, ale také na vnějších environmentálních faktorech, včetně teploty, hodnoty pH, koncentrace iontů atd.
3.1 Teplota
Teplota je důležitým faktorem ovlivňujícím viskozitu roztoku celulózového etheru. Obecně se viskozita roztoku celulózového etheru snižuje se zvyšující se teplotou. Je tomu tak proto, že zvyšující se teplota urychluje molekulární pohyb, oslabuje interakci mezi molekulami a způsobuje, že se zvyšuje stupeň molekulárních řetězců celulózy ve vodě, čímž se snižuje vazebný účinek na molekuly vody, čímž se snižuje viskozita. Některé celulózové ethery (jako je HPMC) však vykazují tepelné gelační charakteristiky ve specifickém teplotním rozsahu, to znamená, jak se teplota zvyšuje, viskozita roztoku se zvyšuje a nakonec tvoří gel.
3.2 Hodnota pH
Hodnota pH má také významný vliv na viskozitu celulózového etheru. U celulózových etherů s iontovými substituenty (jako je CMC), hodnota pH ovlivňuje stav náboje substituentů v roztoku, čímž ovlivňuje interakci mezi molekulami a viskozitou roztoku. Při vyšších hodnotách pH je karboxylová skupina více ionizovaná, což vede k silnějšímu elektrostatickému odporu, což usnadňuje rozložení a zvyšování viskozity molekulárního řetězce; Zatímco při nižších hodnotách pH, karboxylová skupina není snadno ionizována, elektrostatická odpuzení je snížena, molekulární řetězec se zkracuje a viskozita klesá.
3,3 koncentrace iontů
Vliv koncentrace iontů na viskozitu celulózového etheru je obzvláště zřejmý. Celulóza etheru s iontovými substituenty bude ovlivněn stíněním účinku vnějších iontů v roztoku. Jak se koncentrace iontů v roztoku zvyšuje, externí ionty oslabí elektrostatickou odpuzování mezi molekulami celulózového etheru, čímž se zkracuje zvlnění molekulárního řetězce, čímž se sníží viskozita roztoku. Zejména v prostředí s vysokou mírou se viskozita CMC výrazně sníží, což má velký význam pro návrh aplikací.
4. Řízení viskozity v aplikačních polích
Celulózový ether byl široce používán v mnoha oblastech kvůli jeho vynikajícímu výkonu úpravy viskozity.
4.1 Stavební materiály
Ve stavebních materiálech se celulózový ether (jako je HPMC) často používá v suchém mixéru, tmelném prášku, lepidle na dlaždicích a dalších produktech k úpravě viskozity směsi a zvyšuje plynulost a anti-saggingové vlastnosti během konstrukce. Současně může také zpozdit odpařování vody, zlepšit zadržování materiálů vody a tím zlepšit pevnost a trvanlivost konečného produktu.
4.2 povlaků a inkoustů
Ethery celulózy působí jako zahušťovače a stabilizátory ve vodě a inkoustech. Úpravou viskozity zajišťují vyrovnávání a adhezi povlaku během konstrukce. Kromě toho může také zlepšit anti-splácení povlaku, snížit ochabnutí a zvýšit konstrukci rovnoměrnější.
4.3 Medicína a jídlo
V oblastech medicíny a potravin se celulózové ethery (jako jsou HPMC, CMC) často používají jako zahušťovače, emulgátory nebo stabilizátory. Například HPMC, jako povlakový materiál pro tablety, může dosáhnout účinku léků s trvalým uvolňováním kontrolou míry rozpouštění. V potravě se CMC používá ke zvýšení viskozity, zlepšení chuti a prodloužení trvanlivosti jídla.
4.4 Kosmetika
Aplikace celulózových etherů v kosmetice je soustředěna hlavně do produktů, jako jsou emulze, gely a masky obličeje. Úpravou viskozity mohou celulózové ethery poskytnout produktu vhodnou plynulost a texturu a vytvořit zvlhčující film na kůži, aby se zvýšil pohodlí během používání.
Deriváty celulózy etheru mohou účinně řídit viskozitu roztoků prostřednictvím jejich jedinečné molekulární struktury a citlivosti na vnější prostředí. To vedlo k jejich široké aplikaci v mnoha oborech, jako je stavba, medicína, jídlo a kosmetika. S nepřetržitým vývojem vědy a technologie budou funkce celulózových etherů dále rozšířeny, aby poskytly přesnější řešení kontroly viskozity pro více oblastí.
Čas příspěvku: únor-17-2025