خصائص هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز

هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز هو نوع من إيثرات السليلوز المختلطة غير الأيونية. على عكس إيثر ميثيل كاربوكسي ميثيل سلولوز المختلط الأيوني، لا يتفاعل مع المعادن الثقيلة. ونظرًا لاختلاف نسب محتوى الميثوكسيل والهيدروكسي بروبيل في هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز، 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 سلولوز، بينما يكون أداء النوع ذي المحتوى المنخفض من الميثوكسيل والمحتوى العالي من الهيدروكسي بروبيل قريبًا من أداء هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز. ومع ذلك، ففي 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 الماء: يُعدّ هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز نوعًا من ميثيل سلولوز المُعدّل بأكسيد البروبيلين (ميثوكسي بروبيلين)، ولذلك فهو يحتفظ بنفس خصائص ميثيل سلولوز. يتميز السلولوز بخصائص مشابهة من حيث الذوبانية في الماء البارد وعدم الذوبانية في الماء الساخن. مع ذلك، وبسبب مجموعة الهيدروكسي بروبيل المُعدّلة، فإن درجة حرارة تجلّطه في الماء الساخن أعلى بكثير من درجة حرارة تجلّط ميثيل سلولوز. على سبيل المثال، تبلغ لزوجة محلول هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز المائي، الذي يحتوي على 2% من مجموعة 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 تجلّطه إلى ما يقارب 100 درجة مئوية، بينما تبلغ درجة حرارة تجلّط ميثيل سلولوز عند نفس درجة الحرارة حوالي 55 درجة مئوية فقط. أما بالنسبة لذوبانيته في الماء، فقد تحسّنت 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. بالنسبة للمنتجات التي تزيد درجة ذوبانيتها عن ٢.١، ​​فإن هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز عالي اللزوجة، الذي يحتوي على هيدروكسي بروبيل (MS = ١.٥-١.٨) وميثوكسي (DS = ٠.٢-١.٠)، بدرجة استبدال إجمالية تزيد عن ١.٨، يكون قابلاً للذوبان في محاليل الميثانول والإيثانول اللامائية، وهو مادة لدنة حرارياً وقابلة للذوبان في الماء. كما أنه قابل للذوبان 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 سلولوز: يتم تحديد لزوجة هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز بنفس طريقة تحديد لزوجة إيثرات السليلوز الأخرى، وذلك بقياسها عند درجة حرارة 20 درجة مئوية باستخدام محلول مائي بنسبة 2% كمعيار. تزداد لزوجة المنتج نفسه مع زيادة تركيزه. بالنسبة للمنتجات ذات الأوزان الجزيئية المختلفة عند نفس التركيز، يكون المنتج ذو الوزن الجزيئي الأكبر أكثر لزوجة. وتتشابه علاقته بدرجة الحرارة مع علاقة ميثيل سلولوز؛ فمع ارتفاع درجة الحرارة، تبدأ اللزوجة بالانخفاض، ولكن عند بلوغ درجة حرارة معينة، ترتفع اللزوجة فجأة ويحدث التجلط. وتكون درجة حرارة التجلط للمنتجات منخفضة اللزوجة أعلى. ولا 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. فعلى سبيل المثال، يتفاعل كربوكسي ميثيل سلولوز مع أيونات المعادن الثقيلة ويترسب في المحلول. أما الأملاح العامة مثل الكلوريد والبروميد والفوسفات والنترات، فلا تترسب عند إضافتها إلى محلوله المائي. ومع ذلك، تؤثر إضافة الملح على درجة حرارة التلبد في المحلول المائي. فمع زيادة تركيز الملح، تنخفض درجة حرارة التصلب. وعندما يكون تركيز الملح أقل من درجة حرارة التلبد، تميل لزوجة المحلول إلى الزيادة. لذلك، تُضاف كمية معينة من الملح، وفي بعض التطبيقات، يمكن تحقيق تأثير التكثيف بطريقة أكثر اقتصادية. 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. إلا أن الأحماض المركزة تُقلل من لزوجته. أما القلويات مثل الصودا الكاوية، والبوتاس الكاوي، وماء الجير، فلا تؤثر عليه، ولكنها قد تزيد لزوجة المحلول قليلاً، ثم تُقللها تدريجيًا.

(5) توافق هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز: يمكن مزج محلول هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز مع مركبات بوليمرية قابلة للذوبان في الماء لتكوين 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) يمكن لإيثرات السليلوز غير القابلة للذوبان في الماء، والمشتقة من هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز، أن تُجري عملية ربط سطحي مع الألدهيدات، مما يؤدي إلى ترسب هذه الإيثرات في المحلول وعدم ذوبانها في الماء. 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 في الإنتاج الصناعي. تتراوح كمية هذا النوع من عوامل الربط 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. بشكل عام، تتراوح درجة حرارة المعالجة بين 0 و30 درجة مئوية، وتستغرق من دقيقة إلى 120 دقيقة. يجب إجراء تفاعل الربط المتشابك في وسط حمضي. عادةً، يُضاف إلى المحلول أولاً حمض قوي غير عضوي أو حمض كربوكسيلي عضوي لضبط درجة حموضة المحلول إلى حوالي 2-6، ويفضل أن تكون بين 4-6، ثم تُضاف الألدهيدات لإجراء تفاعل الربط المتشابك. تشمل الأحماض المستخدمة حمض الهيدروكلوريك، وحمض الكبريتيك، وحمض الفوسفوريك، وحمض الفورميك، وحمض الأسيتيك، وحمض الهيدروكسي أسيتيك، وحمض السكسينيك، وحمض الستريك، وغيرها. يُنصح باستخدام حمض الفورميك أو حمض الأسيتيك، ويُعد حمض الفورميك هو الأمثل. يمكن أيضًا إضافة الحمض والألدهيد معًا للسماح للمحلول بإجراء تفاعل الربط المتشابك ضمن نطاق درجة الحموضة المطلوب. يُستخدم هذا التفاعل غالبًا في عملية المعالجة النهائية في عملية تحضير إيثرات السليلوز. بعد أن يصبح إيثر السليلوز غير قابل للذوبان، يصبح من السهل استخدامه.

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) مقاومة هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز للإنزيمات: نظريًا، لا تتأثر مشتقات السليلوز، مثل تلك التي تحتوي على مجموعة بديلة مرتبطة بقوة بكل مجموعة أنهيدروغلوكوز، بالتآكل الميكروبي. ولكن في الواقع، عندما تتجاوز قيمة الاستبدال للمنتج النهائي 1، فإنه سيتعرض للتحلل بواسطة الإنزيمات. وهذا يعني أن درجة استبدال كل مجموعة على سلسلة السليلوز غير متجانسة بما يكفي، ويمكن للكائنات الدقيقة أن تتآكل على مجموعة أنهيدروغلوكوز غير المستبدلة. تتكون السكريات وتُمتص كمغذيات للكائنات الدقيقة. لذلك، إذا زادت درجة استبدال السليلوز بالإيثر، فإن مقاومة إيثر السليلوز للتآكل الإنزيمي ستزداد أيضًا. بحسب التقارير، في ظل ظروف مُحكمة، تُظهر نتائج التحلل الإنزيمي أن اللزوجة المتبقية لهيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز (درجة الاستبدال = 1.9) تبلغ 13.2%، بينما تبلغ 7.3% لميثيل سلولوز (درجة الاستبدال = 1.83)، و3.8% لميثيل سلولوز (درجة الاستبدال = 1.66)، و1.7% لهيدروكسي إيثيل سلولوز. يتضح من ذلك أن هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز يتمتع بقدرة عالية على مقاومة الإنزيمات. لذا، وبفضل مقاومته الممتازة للإنزيمات، إلى جانب قابليته الجيدة للتشتت، وخصائصه المُكثِّفة، وقدرته على تكوين 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، يُمكن 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) أداء غشاء هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز: يتميز هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز بخصائص ممتازة لتكوين الأغشية. يُطلى محلوله المائي أو محلوله في مذيب عضوي على لوح زجاجي، ويصبح غشاءً شفافًا ومتينًا بعد التجفيف. يتمتع بمقاومة جيدة للرطوبة ويحافظ على صلابته في درجات الحرارة العالية. يمكن تحسين استطالته ومرونته بإضافة مُلدِّن ماص للرطوبة. تُعد الملدنات مثل الجلسرين والسوربيتول الأنسب لتحسين المرونة. عادةً، يتراوح تركيز المحلول بين 2% و3%، وتتراوح كمية الملدن بين 10% و20% من إيثر السليلوز. في حال زيادة نسبة الملدن، يحدث انكماش ناتج عن الجفاف الغرواني عند الرطوبة العالية. تكون قوة الشد للغشاء المضاف إليه الملدن أكبر بكثير من قوة الشد للغشاء غير المضاف إليه الملدن، وتزداد هذه القوة بزيادة الكمية المضافة. أما بالنسبة لامتصاص الغشاء للرطوبة، فإنه يزداد أيضًا بزيادة كمية الملدن.