هل تعرف أداء هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز؟

هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوزهو نوع من أنواع إيثرات السليلوز المختلطة غير الأيونية. على عكس إيثر ميثيل كاربوكسي ميثيل السليلوز المختلط الأيوني، لا يتفاعل مع المعادن الثقيلة. نظرًا لاختلاف نسب محتوى الميثوكسيل والهيدروكسي بروبيل في هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز، واختلاف اللزوجة، توجد أنواع عديدة ذات خصائص مختلفة؛ فعلى سبيل المثال، يكون أداء النوع ذي المحتوى العالي من الميثوكسيل والمحتوى المنخفض من الهيدروكسي بروبيل قريبًا من أداء ميثيل السليلوز، بينما يكون أداء النوع ذي المحتوى المنخفض من الميثوكسيل والمحتوى العالي من الهيدروكسي بروبيل قريبًا من أداء هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز. مع ذلك، في كل نوع، على الرغم من احتوائه على كمية قليلة من مجموعة الهيدروكسي بروبيل أو مجموعة الميثوكسيل، توجد اختلافات كبيرة في الذوبان في المذيبات العضوية أو درجة حرارة التلبد في المحاليل المائية.

(1) خصائص ذوبان هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز

① ذوبانية هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز في الماءهيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوزهو في الواقع نوع من ميثيل السليلوز المُعدَّل بأكسيد البروبيلين (ميثوكسي بروبيلين)، لذا فهو يحتفظ بنفس خصائص ميثيل السليلوز، إذ يتميز بذوبانه في الماء البارد وعدم ذوبانه في الماء الساخن. مع ذلك، وبسبب مجموعة الهيدروكسي بروبيل المُعدَّلة، فإن درجة حرارة تجلُّده في الماء الساخن أعلى بكثير من درجة حرارة تجلُّد ميثيل السليلوز. على سبيل المثال، تبلغ لزوجة محلول هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز المائي، بتركيز 2% من الميثوكسي (درجة الاستبدال DS=0.73) ومحتوى هيدروكسي بروبيل (MS=0.46)، 500 ملي باسكال.ثانية عند 20 درجة مئوية، ويمكن أن تصل درجة حرارة تجلُّده إلى ما يقارب 100 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة حرارة تجلُّد ميثيل السليلوز عند نفس درجة الحرارة حوالي 55 درجة مئوية فقط. أما بالنسبة لذوبانه في الماء، فقد تحسَّن بشكل كبير أيضًا. على سبيل المثال، يمكن شراء مسحوق هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز (شكل حبيبي 0.2 ~ 0.5 مم عند 20 درجة مئوية مع لزوجة محلول مائي بنسبة 4٪ تبلغ 2 باسكال.ثانية) في درجة حرارة الغرفة، وهو قابل للذوبان بسهولة في الماء دون تبريد.

٢- ذوبانية هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز في المذيبات العضوية: تتميز ذوبانية هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز في المذيبات العضوية بأنها أفضل من ذوبانية ميثيل سلولوز. يحتاج ميثيل سلولوز إلى درجة استبدال ميثوكسيل تبلغ ٢.١. أما المنتجات المذكورة أعلاه، والتي تحتوي على هيدروكسي بروبيل بدرجة استبدال ميثوكسيل تتراوح بين ١.٥ و١.٨ وميثوكسيل بدرجة استبدال تتراوح بين ٠.٢ و١.٠، فإن هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز عالي اللزوجة بدرجة استبدال إجمالية تزيد عن ١.٨ يذوب في محاليل الميثانول والإيثانول اللامائية، ويتمتع بخاصية اللدونة الحرارية والذوبانية في الماء. كما أنه يذوب في الهيدروكربونات المكلورة مثل كلوريد الميثيلين والكلوروفورم، وفي المذيبات العضوية مثل الأسيتون والإيزوبروبانول وثنائي أسيتون الكحول. وتكون ذوبانيته في المذيبات العضوية أفضل من ذوبانيته في الماء.

(2) العوامل المؤثرة على لزوجة هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز: يتم تحديد لزوجة هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز بنفس طريقة تحديد لزوجة إيثرات السليلوز الأخرى. تُقاس اللزوجة عند 20 درجة مئوية باستخدام محلول مائي بنسبة 2% كمعيار. تزداد لزوجة المنتج نفسه مع زيادة التركيز. بالنسبة للمنتجات ذات الأوزان الجزيئية المختلفة عند نفس التركيز، يكون للمنتج ذي الوزن الجزيئي الأكبر لزوجة أعلى. علاقة لزوجة هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز بدرجة الحرارة مشابهة لعلاقته مع ميثيل السليلوز. فعند ارتفاع درجة الحرارة، تبدأ اللزوجة بالانخفاض، ولكن عند بلوغ درجة حرارة معينة، ترتفع اللزوجة فجأة ويحدث التجلط. تكون درجة حرارة التجلط للمنتجات منخفضة اللزوجة أعلى. لا ترتبط درجة حرارة التجلط بلزوجة الإيثر فحسب، بل ترتبط أيضًا بنسبة تركيب مجموعة الميثوكسيل ومجموعة الهيدروكسي بروبيل في الإيثر وحجم درجة الاستبدال الكلية. تجدر الإشارة إلى أن هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز هو أيضًا مادة لزجة زائفة، ومحلوله مستقر في درجة حرارة الغرفة دون أي تدهور في اللزوجة باستثناء احتمال التحلل الأنزيمي.

(3) تحمل هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز للملوحة: نظرًا لأن هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز إيثر غير أيوني، فإنه لا يتأين في الماء، على عكس إيثرات السليلوز الأيونية الأخرى، مثل كربوكسي ميثيل سليلوز، التي تتفاعل مع أيونات المعادن الثقيلة في المحلول وتترسب. لا تترسب الأملاح العامة مثل الكلوريد والبروميد والفوسفات والنترات وغيرها عند إضافتها إلى محلوله المائي. مع ذلك، تؤثر إضافة الملح على درجة حرارة التلبد للمحلول المائي. فمع زيادة تركيز الملح، تنخفض درجة حرارة التصلب. وعندما يكون تركيز الملح أقل من درجة حرارة التلبد، تميل لزوجة المحلول إلى الزيادة. لذلك، عند إضافة كمية معينة من الملح، يمكن تحقيق تأثير التكثيف بشكل أكثر اقتصادية في التطبيقات العملية. لذا، في بعض التطبيقات، يُفضل استخدام مزيج من إيثر السليلوز والملح بدلاً من محلول إيثر ذي تركيز عالٍ لتحقيق تأثير التكثيف.

(4) مقاومة هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز للأحماض والقلويات: يتميز هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز عمومًا بثباته تجاه الأحماض والقلويات، ولا يتأثر في نطاق الرقم الهيدروجيني من 2 إلى 12. ويمكنه تحمل كمية معينة من الأحماض الخفيفة، مثل حمض الفورميك، وحمض الخليك، وحمض الستريك، وحمض السكسينيك، وحمض الفوسفوريك، وحمض البوريك، وغيرها. أما الأحماض المركزة فتؤدي إلى انخفاض اللزوجة. ولا تؤثر القلويات، مثل الصودا الكاوية، والبوتاس الكاوي، وماء الجير، عليه، ولكنها قد تزيد لزوجة المحلول قليلاً، ثم تقللها تدريجيًا.

(5) قابلية امتزاج هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز: يمكن مزج محلول هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز مع مركبات بوليمرية قابلة للذوبان في الماء للحصول على محلول متجانس وشفاف ذي لزوجة عالية. تشمل هذه المركبات البوليمرية بولي إيثيلين جليكول، وبولي فينيل أسيتات، وبولي سيليكون، وبولي ميثيل فينيل سيلوكسان، وهيدروكسي إيثيل سلولوز، وميثيل سلولوز. كما تتمتع المركبات الطبيعية ذات الوزن الجزيئي العالي، مثل الصمغ العربي، وصمغ الخروب، وصمغ الكارايا، بتوافق جيد مع محلوله. يمكن أيضًا مزج هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز مع إستر المانيتول أو إستر السوربيتول لحمض الستياريك أو حمض البالميتيك، وكذلك مع الجلسرين والسوربيتول والمانيتول، ويمكن استخدام هذه المركبات كملدّن للسليلوز.

(6) غير قابل للذوبان قابل للذوبان في الماءإيثرات السليلوزيمكن لهيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز أن يُجري عملية ربط سطحي متقاطع مع الألدهيدات، مما يؤدي إلى ترسب هذه الإيثرات القابلة للذوبان في الماء في المحلول، فتصبح غير قابلة للذوبان فيه. تشمل الألدهيدات التي تجعل هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز غير قابل للذوبان الفورمالديهايد، والجليوكسال، وألدهيد السكسينيك، وألدهيد الأديبالديهايد، وغيرها. عند استخدام الفورمالديهايد، يجب الانتباه جيدًا إلى قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول، حيث يتفاعل الجليوكسال بشكل أسرع، لذا يُستخدم عادةً كعامل ربط متقاطع في الإنتاج الصناعي. تتراوح جرعة هذا النوع من عوامل الربط المتقاطع في المحلول بين 0.2% و10% من كتلة الإيثر، ويفضل أن تكون بين 7% و10%، فعلى سبيل المثال، تُعد نسبة 3.3% إلى 6% من الجليوكسال هي الأنسب. عمومًا، تتراوح درجة حرارة المعالجة بين 0 و30 درجة مئوية، وتتراوح مدتها بين دقيقة واحدة و120 دقيقة. يتطلب تفاعل الربط المتشابك إجراءه في وسط حمضي. عادةً، يُضبط الرقم الهيدروجيني للمحلول إلى حوالي 2-6 بإضافة حمض قوي غير عضوي أو حمض كربوكسيلي عضوي، ويفضل أن يكون بين 4 و6، ثم تُضاف الألدهيدات لإتمام تفاعل الربط المتشابك. تشمل الأحماض المستخدمة حمض الهيدروكلوريك، وحمض الكبريتيك، وحمض الفوسفوريك، وحمض الفورميك، وحمض الأسيتيك، وحمض الهيدروكسي أسيتيك، وحمض السكسينيك، وحمض الستريك، وغيرها. يُفضل استخدام حمض الفورميك أو حمض الأسيتيك، ويُعد حمض الفورميك هو الأمثل. يمكن أيضًا إضافة الحمض والألدهيد معًا للسماح للمحلول بالخضوع لتفاعل الربط المتشابك ضمن نطاق الرقم الهيدروجيني المطلوب. يُستخدم هذا التفاعل غالبًا في المعالجة النهائية لتحضير إيثرات السليلوز. بعد أن يصبح إيثر السليلوز غير قابل للذوبان، يصبح استخدامه سهلًا.

يُستخدم ماء بدرجة حرارة تتراوح بين 20 و25 درجة مئوية للغسل والتنقية. عند استخدام المنتج، يمكن إضافة مواد قلوية إلى محلول المنتج لضبط درجة حموضته، مما يُسرّع ذوبان المنتج فيه. هذه الطريقة قابلة للتطبيق أيضًا لمعالجة الغشاء بعد تحويله إلى غشاء من محلول إيثر السليلوز، لجعله غشاءً غير قابل للذوبان.

(7) من الناحية النظرية، تُعتبر مقاومة هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز للإنزيمات أقل عرضةً للإصابة بالكائنات الدقيقة، على عكس مشتقات السليلوز الأخرى، مثل كل مجموعة أنهيدروغلوكوز. فإذا وُجدت مجموعة بديلة مرتبطة بقوة، يصعب على الكائنات الدقيقة إصابة السليلوز. ولكن في الواقع، عندما تتجاوز قيمة الاستبدال 1، يتحلل المنتج النهائي أيضًا بواسطة الإنزيمات. وهذا يعني أن درجة استبدال كل مجموعة على سلسلة السليلوز غير متجانسة بما يكفي، ويمكن للكائنات الدقيقة أن تُحلل مجموعة أنهيدروغلوكوز غير المستبدلة لتكوين السكريات، التي تُعد بمثابة مغذيات تمتصها هذه الكائنات. لذلك، إذا زادت درجة استبدال السليلوز بالإيثر، فإن مقاومة إيثر السليلوز للتحلل الإنزيمي ستزداد أيضًا. بحسب التقارير، في ظل ظروف مضبوطة، أظهرت نتائج التحلل المائي للإنزيمات أن اللزوجة المتبقية لهيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز (درجة الاستبدال = 1.9) تبلغ 13.2%، ولميثيل سلولوز (درجة الاستبدال = 1.83) تبلغ 7.3%، ولميثيل سلولوز (درجة الاستبدال = 1.66) تبلغ 3.8%، ولهيدروكسي إيثيل سلولوز تبلغ 1.7%. يتضح من ذلك أن هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز يتمتع بقدرة عالية على مقاومة الإنزيمات. لذا، وبفضل مقاومته الممتازة للإنزيمات، بالإضافة إلى قابليته الجيدة للتشتت، وخصائصه في التكثيف وتكوين الأغشية، يُستخدم هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز في طلاءات المستحلبات المائية وغيرها، ولا يحتاج عادةً إلى إضافة مواد حافظة. مع ذلك، في حال التخزين طويل الأمد للمحلول أو احتمالية تلوثه من الخارج، يمكن إضافة مواد حافظة كإجراء احترازي، ويُحدد اختيارها وفقًا للمتطلبات النهائية للمحلول. يُعدّ كلٌّ من أسيتات فينيل الزئبق وفلوروسيليكات المنغنيز من المواد الحافظة الفعّالة، إلا أنهما سامّان، لذا يجب توخي الحذر أثناء الاستخدام. عمومًا، يُمكن إضافة 1 إلى 5 ملغ من أسيتات فينيل الزئبق إلى المحلول لكل لتر من الجرعة.

(8) أداءهيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوزيتميز غشاء هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز بخصائص ممتازة في تشكيل الأغشية. عند طلاء محلوله المائي أو محلوله في مذيب عضوي على لوح زجاجي، يصبح عديم اللون وشفافًا بعد التجفيف، مما ينتج غشاءً متينًا. يتمتع هذا الغشاء بمقاومة جيدة للرطوبة ويحافظ على صلابته في درجات الحرارة العالية. يمكن تعزيز استطالته ومرونته بإضافة مُلدِّن ماص للرطوبة. ومن بين المُلدِّنات الأنسب لتحسين المرونة، الجلسرين والسوربيتول. عادةً، يتراوح تركيز المحلول بين 2% و3%، بينما تتراوح كمية المُلدِّن بين 10% و20% من إيثر السليلوز. في حال زيادة نسبة المُلدِّن، سيحدث انكماش ناتج عن الجفاف الغرواني عند الرطوبة العالية. تكون قوة الشد للغشاء المُضاف إليه المُلدِّن أكبر بكثير من قوة الشد للغشاء غير المُضاف إليه، وتزداد هذه القوة بزيادة كمية المُلدِّن المُضاف. كما تزداد استرطابية الغشاء أيضًا بزيادة كمية المُلدِّن.