لزوجة كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم

تُصنّف لزوجة كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم إلى درجات عديدة حسب الاستخدامات المختلفة. تتراوح لزوجة النوع المستخدم في الغسيل بين 10 و70 (أقل من 100)، بينما تتراوح لزوجة النوع المستخدم في ديكورات المباني وغيرها من الصناعات بين 200 و1200، أما النوع المستخدم في الأغذية فتكون لزوجته أعلى من ذلك بكثير، إذ تتجاوز 1000. وتختلف لزوجة هذا النوع باختلاف الصناعات.

وذلك بسبب نطاق استخداماته الواسع.
تتأثر لزوجة كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم بكتلته الجزيئية النسبية وتركيزه ودرجة حرارته وقيمة الرقم الهيدروجيني، ويتم خلطه مع إيثيل أو كربوكسي بروبيل السليلوز والجيلاتين وصمغ الزانثان والكاراجينان وصمغ الخروب وصمغ الغوار والأجار وألجينات الصوديوم والبكتين والصمغ العربي والنشا ومشتقاته، ولها توافق جيد (أي تأثير تآزري).

عندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني 7، تكون لزوجة محلول كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم في أعلى مستوياتها، وتكون مستقرة نسبيًا عندما تتراوح قيمة الرقم الهيدروجيني بين 4 و11. يذوب كربوكسي ميثيل السليلوز في الماء على شكل أملاح فلزات قلوية وأمونيوم. وتؤثر أيونات المعادن ثنائية التكافؤ، مثل الكالسيوم (Ca2+) والمغنيسيوم (Mg2+) والحديد (Fe2+)، على لزوجته. أما المعادن الثقيلة، مثل الفضة والباريوم والكروم والحديد الثلاثي (Fe3+)، فتؤدي إلى ترسبه. ويمكن الحصول على محلول أكثر لزوجة، ينتج عنه مادة صمغية لينة أو صلبة، عن طريق التحكم في تركيز الأيونات، كإضافة حمض الستريك كعامل مخلبي.

إن كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم هو نوع من السليلوز الطبيعي، والذي يتم تصنيعه بشكل عام من ألياف القطن أو لب الخشب كمواد خام ويخضع لتفاعل الأثير مع حمض أحادي كلورو أسيتيك في ظل ظروف قلوية.

وفقًا لمواصفات المواد الخام واستبدال هيدروجين الهيدروكسيل في وحدة السليلوز D-جلوكوز بمجموعة الكربوكسي ميثيل، يتم الحصول على مركبات بوليمر قابلة للذوبان في الماء بدرجات مختلفة من الاستبدال وتوزيعات مختلفة للوزن الجزيئي.

نظراً لأن كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم يتمتع بالعديد من الخصائص الفريدة والممتازة، فإنه يستخدم على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية اليومية والأغذية والأدوية وغيرها من الإنتاج الصناعي.

تُعدّ لزوجة كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم من أهم مؤشرات جودته. وتتأثر قيمة اللزوجة بعوامل مختلفة، مثل التركيز ودرجة الحرارة ومعدل القص. مع ذلك، تُعتبر هذه العوامل خارجية وتؤثر بشكل مباشر على لزوجة كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم.

يُعدّ الوزن الجزيئي وتوزيعه الجزيئي من العوامل الداخلية التي تؤثر على لزوجة محلول كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم. ولضبط إنتاج كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم وتحسين أداء المنتج، تُعتبر دراسة وزنه الجزيئي وتوزيعه الجزيئي ذات قيمة مرجعية بالغة الأهمية، بينما لا يُمكن لقياس اللزوجة إلا أن يُقدّم قيمة مرجعية جزئية.

قوانين نيوتن في علم الريولوجيا، يُرجى الاطلاع على المحتوى ذي الصلة بـ"علم الريولوجيا" في الكيمياء الفيزيائية، إذ يصعب شرحها في جملة أو جملتين. باختصار: بالنسبة لمحلول مخفف من التركيز الحرج للمذيلات (CMC) قريب من سائل نيوتوني، يتناسب إجهاد القص طرديًا مع معدل القطع، ويُسمى معامل التناسب بينهما معامل اللزوجة أو اللزوجة الحركية.

تُستمد اللزوجة من القوى المؤثرة بين سلاسل جزيئات السليلوز، بما في ذلك قوى التشتت والروابط الهيدروجينية. وبشكل خاص، لا تُشكل بلمرة مشتقات السليلوز بنية خطية، بل بنية متعددة التفرعات. في المحلول، تتشابك العديد من جزيئات السليلوز متعددة التفرعات لتُشكل بنية شبكية فراغية. وكلما كانت هذه البنية أكثر كثافة، زادت القوى المؤثرة بين السلاسل الجزيئية في المحلول الناتج.

لتوليد تدفق في محلول مخفف من مشتقات السليلوز، يجب التغلب على القوة بين السلاسل الجزيئية، لذا يتطلب المحلول ذو درجة البلمرة العالية قوة أكبر لتوليد التدفق. في قياس اللزوجة، تكون قوة الجاذبية هي القوة المؤثرة على محلول كربوكسي ميثيل السليلوز (CMC). في ظل ثبات الجاذبية، تتعرض بنية سلسلة محلول CMC ذي درجة البلمرة العالية لقوة كبيرة، مما يؤدي إلى تدفق بطيء. ويعكس هذا التدفق البطيء اللزوجة.

تعتمد لزوجة كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم بشكل أساسي على الوزن الجزيئي، ولا ترتبط بدرجة الاستبدال إلا قليلاً. فكلما زادت درجة الاستبدال، زاد الوزن الجزيئي، لأن الوزن الجزيئي لمجموعة الكربوكسي ميثيل المستبدلة أكبر من الوزن الجزيئي لمجموعة الهيدروكسيل السابقة.

ملح الصوديوم لكربوكسي ميثيل إيثر السليلوز، وهو إيثر سليلوزي أنيوني، عبارة عن مسحوق أو حبيبات ليفية بيضاء أو بيضاء حليبية، بكثافة تتراوح بين 0.5 و0.7 غ/سم³، عديم الرائحة والطعم تقريبًا، وممتص للرطوبة. يسهل تشتيته في الماء لتكوين محلول غرواني شفاف، وهو غير قابل للذوبان في المذيبات العضوية مثل الإيثانول. يتراوح الرقم الهيدروجيني لمحلول مائي بتركيز 1% بين 6.5 و8.5. عندما يكون الرقم الهيدروجيني أكبر من 10 أو أقل من 5، تنخفض لزوجة كربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم بشكل ملحوظ، ويكون الأداء في أفضل حالاته عند الرقم الهيدروجيني 7.

يتميز هذا المركب بثباته الحراري. ترتفع لزوجته بسرعة عند درجات حرارة أقل من 20 درجة مئوية، وتتغير ببطء عند 45 درجة مئوية. يؤدي التسخين لفترات طويلة فوق 80 درجة مئوية إلى تغيير طبيعة الغرواني، مما يقلل لزوجته وأدائه بشكل ملحوظ. يذوب بسهولة في الماء، ويكون المحلول شفافًا؛ وهو مستقر جدًا في المحاليل القلوية، ويتحلل بسهولة في وجود الأحماض. يترسب عند درجة حموضة تتراوح بين 2 و3.