هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز (HPMC)مركب بوليمري قابل للذوبان في الماء، يُستخدم على نطاق واسع في صناعات البناء والطب والأغذية والكيميائيات. وهو إيثر سليلوزي غير أيوني، يُحصل عليه عن طريق التعديل الكيميائي للسليلوز الطبيعي، ويتميز بخصائص تكثيف واستحلاب وتثبيت وتكوين غشاء رقيق. ومع ذلك، في ظل درجات الحرارة العالية، يتعرض HPMC للتحلل الحراري، مما يؤثر بشكل كبير على استقراره وأدائه في التطبيقات العملية.
عملية التحلل الحراري لـ HPMC
يشمل التحلل الحراري لـ HPMC بشكل رئيسي تغيرات فيزيائية وكيميائية. تتجلى التغيرات الفيزيائية بشكل رئيسي في تبخر الماء، والتحول الزجاجي، وانخفاض اللزوجة، بينما تشمل التغيرات الكيميائية تدمير البنية الجزيئية، وانقسام المجموعة الوظيفية، وعملية الكربنة النهائية.
1. مرحلة درجة الحرارة المنخفضة (100-200 درجة مئوية): تبخر الماء والتحلل الأولي
في درجات الحرارة المنخفضة (حوالي ١٠٠ درجة مئوية)، يخضع HPMC بشكل رئيسي لتبخر الماء والتحول الزجاجي. ولأنه يحتوي على كمية معينة من الماء المرتبط، فإن هذا الماء يتبخر تدريجيًا أثناء التسخين، مما يؤثر على خصائصه الريولوجية. بالإضافة إلى ذلك، تنخفض لزوجة HPMC مع ارتفاع درجة الحرارة. التغيرات في هذه المرحلة هي في الغالب تغيرات في الخصائص الفيزيائية، بينما يبقى التركيب الكيميائي ثابتًا تقريبًا.
مع استمرار ارتفاع درجة الحرارة إلى 150-200 درجة مئوية، تبدأ مركبات HPMC بتفاعلات تحلل كيميائي أولية. ويتجلى ذلك بشكل رئيسي في إزالة المجموعات الوظيفية هيدروكسي بروبيل وميثوكسي، مما يؤدي إلى انخفاض الوزن الجزيئي وتغيرات هيكلية. في هذه المرحلة، قد تُنتج مركبات HPMC كمية صغيرة من الجزيئات المتطايرة الصغيرة، مثل الميثانول والبروبيونالدهيد.
2. مرحلة درجة الحرارة المتوسطة (200-300 درجة مئوية): تحلل السلسلة الرئيسية وتوليد جزيئات صغيرة
عند رفع درجة الحرارة إلى ٢٠٠-٣٠٠ درجة مئوية، يتسارع معدل تحلل HPMC بشكل ملحوظ. تشمل آليات التحلل الرئيسية ما يلي:
كسر رابطة الأثير: يتم توصيل السلسلة الرئيسية لـ HPMC بواسطة وحدات حلقة الجلوكوز، وتنكسر روابط الأثير فيها تدريجيًا تحت درجة الحرارة العالية، مما يتسبب في تحلل سلسلة البوليمر.
تفاعل الجفاف: قد يخضع هيكل حلقة السكر في HPMC لتفاعل الجفاف عند درجة حرارة عالية لتشكيل وسيط غير مستقر، والذي يتحلل بعد ذلك إلى منتجات متطايرة.
إطلاق المواد المتطايرة ذات الجزيئات الصغيرة: خلال هذه المرحلة، يطلق HPMC ثاني أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والماء، والمواد العضوية ذات الجزيئات الصغيرة، مثل الفورمالديهايد، والأسيتالديهيد، والأكرولين.
ستؤدي هذه التغييرات إلى انخفاض الوزن الجزيئي لـ HPMC بشكل كبير، وانخفاض اللزوجة بشكل كبير، وستبدأ المادة في التحول إلى اللون الأصفر وحتى إنتاج الكوك.
3. مرحلة درجات الحرارة العالية (300-500 درجة مئوية): الكربنة والتكوير
عندما ترتفع درجة الحرارة عن 300 درجة مئوية، تدخل HPMC مرحلة تحلل عنيفة. في هذه المرحلة، يؤدي المزيد من تكسر السلسلة الرئيسية وتطاير المركبات الجزيئية الصغيرة إلى تدمير بنية المادة بالكامل، وتكوّن بقايا كربونية (فحم الكوك). تحدث التفاعلات التالية بشكل رئيسي في هذه المرحلة:
التحلل التأكسدي: عند درجة حرارة عالية، يخضع HPMC لتفاعل أكسدة لتوليد CO₂ وCO، وفي نفس الوقت تكوين بقايا كربونية.
تفاعل الكوك: يتحول جزء من بنية البوليمر إلى منتجات احتراق غير كاملة، مثل الكربون الأسود أو بقايا الكوك.
المنتجات المتطايرة: تستمر في إطلاق الهيدروكربونات مثل الإيثيلين والبروبيلين والميثان.
عند تسخينه في الهواء، قد يحترق HPMC بشكل أكبر، في حين يؤدي التسخين في غياب الأكسجين إلى تكوين بقايا متفحمة بشكل أساسي.
العوامل المؤثرة على التحلل الحراري لـ HPMC
يتأثر التحلل الحراري لـ HPMC بالعديد من العوامل، بما في ذلك:
التركيب الكيميائي: تؤثر درجة استبدال مجموعتي هيدروكسي بروبيل وميثوكسي في HPMC على ثباتها الحراري. بشكل عام، تتمتع HPMC ذات المحتوى الأعلى من هيدروكسي بروبيل بثبات حراري أفضل.
الغلاف الجوي المحيط: في الهواء، يكون HPMC عرضة للتحلل التأكسدي، بينما في بيئة الغاز الخامل (مثل النيتروجين)، يكون معدل تحلله الحراري أبطأ.
معدل التسخين: يؤدي التسخين السريع إلى تحلل أسرع، في حين قد يساعد التسخين البطيء HPMC على التفحم تدريجيًا وتقليل إنتاج المنتجات المتطايرة الغازية.
محتوى الرطوبة: يحتوي HPMC على كمية معينة من الماء المرتبط. أثناء عملية التسخين، يؤثر تبخر الرطوبة على درجة حرارة انتقاله الزجاجي وعملية تحلله.
تأثير التطبيق العملي للتحلل الحراري لـ HPMC
تُعد خصائص التحلل الحراري لـ HPMC ذات أهمية كبيرة في مجال تطبيقاتها. على سبيل المثال:
صناعة البناء: يستخدم HPMC في منتجات ملاط الأسمنت والجص، ويجب مراعاة استقراره أثناء البناء في درجات حرارة عالية لتجنب التدهور الذي يؤثر على أداء الترابط.
صناعة الأدوية: HPMC هو عامل إطلاق دوائي خاضع للرقابة، ويجب تجنب التحلل أثناء الإنتاج في درجات حرارة عالية لضمان استقرار الدواء.
صناعة الأغذية: HPMC عبارة عن مادة مضافة للأغذية، وتحدد خصائص التحلل الحراري الخاصة بها إمكانية تطبيقها في الخبز والمعالجة ذات درجات الحرارة العالية.
عملية التحلل الحراري لـHPMCيمكن تقسيمها إلى تبخر الماء والتحلل الأولي في مرحلة درجات الحرارة المنخفضة، وانقسام السلسلة الرئيسية وتطاير الجزيئات الصغيرة في مرحلة درجات الحرارة المتوسطة، والكربنة والتكوير في مرحلة درجات الحرارة العالية. يتأثر استقرارها الحراري بعوامل مثل التركيب الكيميائي، والجو المحيط، ومعدل التسخين، ومحتوى الرطوبة. يُعد فهم آلية التحلل الحراري لـ HPMC ذا قيمة كبيرة لتحسين تطبيقاته وتعزيز استقرار المواد.
وقت النشر: ٢٨ مارس ٢٠٢٥