خصائص لزوجة هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز

هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز (HPMC)هو إيثر مختلط من السليلوز غير أيوني قابل للذوبان في الماء. يظهر على شكل مسحوق أو مادة حبيبية بيضاء إلى صفراء باهتة، عديم الطعم والرائحة، غير سام، مستقر كيميائيًا، ويذوب في الماء مكونًا محلولًا ناعمًا وشفافًا ولزجًا. من أهم خصائص هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز في التطبيقات زيادة لزوجة السوائل. يعتمد تأثير التكثيف على درجة بلمرة المنتج، وتركيز إيثر السليلوز في المحلول المائي، ومعدل القص، ودرجة حرارة المحلول، وعوامل أخرى.

01

نوع سائل من محلول HPMC المائي

بشكل عام، يمكن التعبير عن إجهاد المائع في التدفق القصي كدالة لمعدل القص ƒ(γ) فقط، طالما أنه لا يعتمد على الزمن. وبناءً على شكل ƒ(γ)، يمكن تقسيم الموائع إلى أنواع مختلفة، وهي: الموائع النيوتونية، والموائع المتمددة، والموائع شبه البلاستيكية، وموائع بينغهام البلاستيكية.

تنقسم إيثرات السليلوز إلى فئتين: إيثرات السليلوز غير الأيونية وإيثرات السليلوز الأيونية. ولدراسة خواص التدفق لهذين النوعين من إيثرات السليلوز، أجرى إس سي نايك وزملاؤه دراسة مقارنة شاملة ومنهجية على محاليل هيدروكسي إيثيل السليلوز وكربوكسي ميثيل السليلوز الصوديوم. وأظهرت النتائج أن كلا النوعين من محاليل إيثرات السليلوز، غير الأيونية والأيونية، يتميزان بخاصية اللدونة الكاذبة. أي أن التدفقات غير النيوتونية لا تقترب من السوائل النيوتونية إلا عند التركيزات المنخفضة جدًا. وتلعب خاصية اللدونة الكاذبة لمحلول هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز دورًا هامًا في التطبيقات. فعلى سبيل المثال، عند استخدامه في الطلاءات، وبسبب خاصية ترقق القص للمحاليل المائية، تنخفض لزوجة المحلول مع زيادة معدل القص، مما يُسهم في التوزيع المنتظم لجزيئات الصبغة، ويزيد أيضًا من سيولة الطلاء. ويكون التأثير كبيرًا جدًا. أثناء السكون، تكون لزوجة المحلول كبيرة نسبيًا، مما يمنع بشكل فعال ترسب جزيئات الصبغة في الطلاء.

02

طريقة اختبار لزوجة هيدروكسي بروبيل ميثيل سليلوز

يُعدّ قياس اللزوجة الظاهرية للمحلول المائي مؤشراً هاماً لقياس تأثير هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز في زيادة اللزوجة. وتشمل طرق قياس اللزوجة الظاهرية عادةً طريقة اللزوجة الشعرية، وطريقة اللزوجة الدورانية، وطريقة اللزوجة باستخدام كرة ساقطة.

حيث: هي اللزوجة الظاهرية، ملي باسكال ثانية؛ K هو ثابت مقياس اللزوجة؛ d هي كثافة عينة المحلول عند 20/20 درجة مئوية؛ t هو الوقت اللازم لمرور المحلول عبر الجزء العلوي من مقياس اللزوجة إلى العلامة السفلية، ثانية؛ يتم قياس الوقت الذي يتدفق فيه الزيت القياسي عبر مقياس اللزوجة.

ومع ذلك، فإن طريقة القياس باستخدام مقياس اللزوجة الشعري أكثر تعقيدًا. يتم قياس لزوجة العديد من المواد.إيثرات السليلوزيصعب تحليل هذه المحاليل باستخدام مقياس اللزوجة الشعيري لاحتوائها على كميات ضئيلة من مواد غير قابلة للذوبان، لا تُكتشف إلا عند انسداد المقياس. لذا، يلجأ معظم المصنّعين إلى استخدام مقاييس اللزوجة الدورانية لضبط جودة هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز. وتُستخدم مقاييس لزوجة بروكفيلد على نطاق واسع في الخارج، بينما تُستخدم مقاييس لزوجة NDJ في الصين.

03

العوامل المؤثرة على لزوجة هيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز

3.1 العلاقة بدرجة التجميع

عند ثبات المعايير الأخرى، تتناسب لزوجة محلول هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز طرديًا مع درجة البلمرة أو الوزن الجزيئي أو طول السلسلة الجزيئية، وتزداد مع ازدياد درجة البلمرة. ويكون هذا التأثير أكثر وضوحًا في حالة درجة البلمرة المنخفضة مقارنةً بحالة درجة البلمرة العالية.

3.2 العلاقة بين اللزوجة والتركيز

تزداد لزوجة هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز مع زيادة تركيز المنتج في المحلول المائي. حتى تغيير طفيف في التركيز يُحدث تغييرًا كبيرًا في اللزوجة. ومع اللزوجة الاسمية لهيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز، يصبح تأثير تغيير تركيز المحلول على لزوجته أكثر وضوحًا.

3.3 العلاقة بين اللزوجة ومعدل القص

يتميز المحلول المائي لهيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز بخاصية انخفاض اللزوجة مع زيادة معدل القص. تم تحضير محلول مائي بتركيز 2% من هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز ذي لزوجة اسمية مختلفة، وقُيست لزوجته عند معدلات قص مختلفة. النتائج موضحة في الشكل. عند معدل قص منخفض، لم تتغير لزوجة محلول هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز بشكل ملحوظ. مع زيادة معدل القص، انخفضت لزوجة محلول هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز ذي اللزوجة الاسمية الأعلى بشكل أوضح، بينما لم ينخفض ​​المحلول ذو اللزوجة المنخفضة بشكل ملحوظ.

3.4 العلاقة بين اللزوجة ودرجة الحرارة

تتأثر لزوجة محلول هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز بشكل كبير بدرجة الحرارة. فكلما ارتفعت درجة الحرارة، انخفضت لزوجة المحلول. وكما هو موضح في الشكل، تم تحضير محلول مائي بتركيز 2%، وتم قياس تغير اللزوجة مع ارتفاع درجة الحرارة.

3.5 عوامل مؤثرة أخرى

تتأثر لزوجة المحلول المائي لهيدروكسي بروبيل ميثيل سليلوز بالمواد المضافة إليه، ودرجة حموضته، والتحلل الميكروبي. عادةً، ولتحسين اللزوجة أو خفض تكلفة الاستخدام، يُضاف إلى المحلول مواد مُعدِّلة للخواص الريولوجية، مثل الطين، والطين المُعدَّل، ومسحوق البوليمر، وإيثر النشا، والبوليمر المشترك الأليفاتي. كما يمكن إضافة إلكتروليتات مثل الكلوريد، والبروميد، والفوسفات، والنترات، وغيرها. لا تؤثر هذه المواد المضافة على لزوجة المحلول فحسب، بل تؤثر أيضًا على خصائص أخرى لهيدروكسي بروبيل ميثيل سليلوز، مثل احتباس الماء، ومقاومة الترهل، وغيرها.

لا تتأثر لزوجة المحلول المائي لهيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز تقريبًا بالأحماض والقلويات، وتكون مستقرة عمومًا في نطاق يتراوح بين 3 و11. ويمكنه تحمل كمية معينة من الأحماض الضعيفة، مثل حمض الفورميك، وحمض الخليك، وحمض الفوسفوريك، وحمض البوريك، وحمض الستريك، وغيرها. إلا أن الأحماض المركزة تقلل من اللزوجة. أما الصودا الكاوية، وهيدروكسيد البوتاسيوم، وماء الجير، وغيرها، فليس لها تأثير يُذكر عليه. بالمقارنة مع إيثرات السليلوز الأخرى،هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوزيتمتع المحلول المائي بثبات جيد كمضاد للميكروبات، ويعود السبب الرئيسي في ذلك إلى احتواء هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز على مجموعات كارهة للماء ذات درجة استبدال عالية وإعاقة فراغية. مع ذلك، ونظرًا لأن تفاعل الاستبدال عادةً ما يكون غير منتظم، فإن وحدة أنهيدروغلوكوز غير المستبدلة هي الأكثر عرضة للتآكل بفعل الكائنات الدقيقة، مما يؤدي إلى تحلل جزيئات إيثر السليلوز وانقطاع السلسلة. ونتيجةً لذلك، تنخفض اللزوجة الظاهرية للمحلول المائي. في حال الحاجة إلى تخزين محلول هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز المائي لفترة طويلة، يُنصح بإضافة كمية ضئيلة من عامل مضاد للفطريات للحفاظ على اللزوجة ضمن حدودها الطبيعية. عند اختيار مضادات الفطريات أو المواد الحافظة أو مبيدات الفطريات، يجب مراعاة السلامة، واختيار المنتجات غير السامة لجسم الإنسان، والتي تتميز بخصائص مستقرة وعديمة الرائحة، مثل مبيدات الفطريات AMICAL من شركة DOW Chem، والمواد الحافظة CANGUARD64، ومضادات البكتيريا FUELSAVER، وغيرها من المنتجات التي تؤدي دورًا مماثلًا.