Хидроксипропил метилцелулоза (НРМС)е водоразтворимо полимерно съединение, широко използвано в строителството, медицината, хранително-вкусовата и химическата промишленост. Това е нейонен целулозен етер, получен чрез химическа модификация на естествена целулоза, с добри свойства на сгъстяване, емулгиране, стабилизиране и филмообразуване. Въпреки това, при условия на висока температура HPMC ще претърпи термично разграждане, което има важно въздействие върху неговата стабилност и производителност при практически приложения.
Процес на термично разграждане на HPMC
Термичното разграждане на HPMC включва главно физически промени и химични промени. Физическите промени се проявяват главно като изпаряване на водата, встъкляване и намаляване на вискозитета, докато химичните промени включват разрушаване на молекулната структура, разцепване на функционална група и окончателен процес на карбонизация.
1. Етап на ниска температура (100–200°C): изпаряване на водата и първоначално разлагане
При ниски температурни условия (около 100°C), HPMC претърпява главно изпаряване на водата и встъкляване. Тъй като HPMC съдържа определено количество свързана вода, тази вода постепенно ще се изпари по време на нагряване, като по този начин ще се отрази на нейните реологични свойства. В допълнение, вискозитетът на HPMC също ще намалее с повишаването на температурата. Промените в този етап са главно промени във физичните свойства, докато химичната структура остава основно непроменена.
Когато температурата продължи да се повишава до 150-200°C, HPMC започва да претърпява предварителни реакции на химично разграждане. Проявява се главно в отстраняването на хидроксипропил и метокси функционални групи, което води до намаляване на молекулното тегло и структурни промени. На този етап HPMC може да произведе малко количество малки летливи молекули, като метанол и пропионалдехид.
2. Етап на средна температура (200-300°C): разграждане на основната верига и генериране на малки молекули
Когато температурата се повиши допълнително до 200-300°C, скоростта на разлагане на HPMC се ускорява значително. Основните механизми на разграждане включват:
Разкъсване на етерна връзка: Основната верига на HPMC е свързана с глюкозни пръстенни единици и етерните връзки в нея постепенно се разрушават при висока температура, което води до разлагане на полимерната верига.
Реакция на дехидратация: Захарната пръстенна структура на НРМС може да претърпи реакция на дехидратация при висока температура, за да образува нестабилен междинен продукт, който допълнително се разлага на летливи продукти.
Освобождаване на летливи малки молекули: По време на този етап HPMC освобождава CO, CO₂, H₂O и органична материя с малки молекули, като формалдехид, ацеталдехид и акролеин.
Тези промени ще доведат до значително спадане на молекулното тегло на HPMC, вискозитетът ще спадне значително и материалът ще започне да пожълтява и дори да произвежда коксуване.
3. Високотемпературен етап (300–500°C): карбонизация и коксуване
Когато температурата се повиши над 300°C, HPMC навлиза в етап на бурно разграждане. По това време по-нататъшното разрушаване на основната верига и изпаряването на малки молекулни съединения води до пълно разрушаване на структурата на материала и накрая образува въглеродни остатъци (кокс). На този етап се появяват главно следните реакции:
Окислително разграждане: При висока температура HPMC претърпява окислителна реакция за генериране на CO₂ и CO и в същото време образува въглеродни остатъци.
Реакция на коксуване: Част от полимерната структура се трансформира в продукти на непълно изгаряне, като сажди или остатъци от кокс.
Летливи продукти: Продължете да отделяте въглеводороди като етилен, пропилен и метан.
При нагряване на въздух HPMC може допълнително да изгори, докато нагряването в отсъствие на кислород образува главно карбонизирани остатъци.
Фактори, влияещи върху термичното разграждане на HPMC
Термичното разграждане на HPMC се влияе от много фактори, включително:
Химическа структура: Степента на заместване на хидроксипропиловите и метокси групите в HPMC влияе върху неговата термична стабилност. Най-общо казано, HPMC с по-високо съдържание на хидроксипропил има по-добра термична стабилност.
Околна атмосфера: Във въздуха HPMC е склонен към окислително разграждане, докато в среда на инертен газ (като азот) скоростта на термичното му разграждане е по-бавна.
Скорост на нагряване: Бързото нагряване ще доведе до по-бързо разлагане, докато бавното нагряване може да помогне на HPMC постепенно да карбонизира и да намали производството на газообразни летливи продукти.
Съдържание на влага: HPMC съдържа известно количество свързана вода. По време на процеса на нагряване изпарението на влагата ще повлияе на температурата на встъкляване и процеса на разграждане.
Практическо въздействие на термичното разграждане на HPMC
Характеристиките на термично разграждане на HPMC са от голямо значение в областта на неговото приложение. Например:
Строителна индустрия: HPMC се използва в циментови разтвори и гипсови продукти и трябва да се има предвид неговата стабилност по време на високотемпературно строителство, за да се избегне влошаване, засягащо ефективността на свързване.
Фармацевтична индустрия: HPMC е агент с контролирано освобождаване на лекарството и трябва да се избягва разлагането по време на производство при висока температура, за да се гарантира стабилността на лекарството.
Хранителна промишленост: HPMC е хранителна добавка и нейните характеристики на термично разграждане определят нейната приложимост при високотемпературно печене и обработка.
Процесът на термично разграждане наHPMCможе да се раздели на изпаряване на водата и предварително разграждане в етапа на ниска температура, разцепване на основната верига и изпаряване на малки молекули в етапа на средна температура и карбонизация и коксуване в етапа на висока температура. Неговата термична стабилност се влияе от фактори като химична структура, околна атмосфера, скорост на нагряване и съдържание на влага. Разбирането на механизма на термично разграждане на HPMC е от голяма стойност за оптимизиране на неговото приложение и подобряване на стабилността на материала.
Време на публикуване: 28 март 2025 г