Hidroksipropil metilceluloza (HPMC)je vodotopivi polimerni spoj koji se široko koristi u građevinarstvu, medicini, prehrambenoj i hemijskoj industriji. To je nejonski eter celuloze dobijen hemijskom modifikacijom prirodne celuloze, sa dobrim svojstvima zgušnjavanja, emulgiranja, stabilizacije i stvaranja filma. Međutim, u uslovima visoke temperature, HPMC će biti podvrgnut termičkoj degradaciji, što ima važan uticaj na njegovu stabilnost i performanse u praktičnim primenama.
Proces termičke degradacije HPMC
Termička degradacija HPMC uglavnom uključuje fizičke promjene i kemijske promjene. Fizičke promjene se uglavnom manifestiraju kao isparavanje vode, staklena tranzicija i smanjenje viskoznosti, dok kemijske promjene uključuju destrukciju molekularne strukture, cijepanje funkcionalnih grupa i konačni proces karbonizacije.
1. Faza niske temperature (100-200°C): isparavanje vode i početno razlaganje
U uslovima niske temperature (oko 100°C), HPMC uglavnom podleže isparavanju vode i staklastoj tranziciji. Budući da HPMC sadrži određenu količinu vezane vode, ova voda će postepeno ispariti tokom zagrijavanja, što će utjecati na njena reološka svojstva. Osim toga, viskoznost HPMC će se također smanjiti s povećanjem temperature. Promjene u ovoj fazi su uglavnom promjene fizičkih svojstava, dok hemijska struktura ostaje u osnovi nepromijenjena.
Kada temperatura nastavi da raste na 150-200°C, HPMC počinje da prolazi kroz preliminarne reakcije hemijske degradacije. Uglavnom se manifestira u uklanjanju hidroksipropilnih i metoksi funkcionalnih grupa, što rezultira smanjenjem molekularne težine i strukturnim promjenama. U ovoj fazi, HPMC može proizvesti malu količinu malih hlapljivih molekula, kao što su metanol i propionaldehid.
2. Stadij srednje temperature (200-300°C): degradacija glavnog lanca i stvaranje malih molekula
Kada se temperatura dodatno poveća na 200-300°C, brzina razgradnje HPMC se značajno ubrzava. Glavni mehanizmi degradacije uključuju:
Prekid eterske veze: Glavni lanac HPMC-a povezan je jedinicama glukoznog prstena, a etarske veze u njemu se postepeno raspadaju pod visokom temperaturom, uzrokujući raspadanje polimernog lanca.
Reakcija dehidracije: Struktura šećernog prstena HPMC-a može biti podvrgnuta reakciji dehidracije na visokoj temperaturi kako bi se formirao nestabilan intermedijer, koji se dalje razlaže u isparljive proizvode.
Oslobađanje hlapljivih materija malih molekula: Tokom ove faze, HPMC oslobađa CO, CO₂, H2O i male molekularne organske materije, kao što su formaldehid, acetaldehid i akrolein.
Ove promjene će uzrokovati značajan pad molekularne težine HPMC-a, značajno smanjenje viskoziteta, a materijal će početi da žuti i čak proizvodi koks.
3. Faza visoke temperature (300–500°C): karbonizacija i koksovanje
Kada temperatura poraste iznad 300°C, HPMC ulazi u fazu nasilne degradacije. U ovom trenutku, daljnji prekid glavnog lanca i isparavanje jedinjenja malih molekula dovode do potpunog uništenja strukture materijala i konačno formiraju ugljične ostatke (koks). U ovoj fazi uglavnom se javljaju sljedeće reakcije:
Oksidativna degradacija: Na visokoj temperaturi, HPMC prolazi kroz oksidacijsku reakciju kako bi se stvorio CO₂ i CO, a u isto vrijeme formiraju ugljični ostaci.
Reakcija koksovanja: Dio polimerne strukture se pretvara u produkte nepotpunog sagorijevanja, kao što su čađa ili ostaci koksa.
Hlapljivi proizvodi: Nastavite oslobađati ugljikovodike kao što su etilen, propilen i metan.
Kada se zagrije na zraku, HPMC može dalje izgorjeti, dok zagrijavanje u nedostatku kisika uglavnom stvara karbonizirane ostatke.
Faktori koji utiču na termičku degradaciju HPMC
Na termičku degradaciju HPMC utiču mnogi faktori, uključujući:
Hemijska struktura: Stepen supstitucije hidroksipropilnih i metoksi grupa u HPMC utiče na njegovu termičku stabilnost. Generalno govoreći, HPMC sa većim sadržajem hidroksipropila ima bolju termičku stabilnost.
Atmosfera okoline: U vazduhu, HPMC je sklon oksidativnoj degradaciji, dok je u okruženju inertnog gasa (kao što je azot), njegova toplotna degradacija sporija.
Brzina zagrijavanja: Brzo zagrijavanje će dovesti do bržeg raspadanja, dok sporo zagrijavanje može pomoći HPMC-u da postepeno karbonizira i smanji proizvodnju plinovitih isparljivih proizvoda.
Sadržaj vlage: HPMC sadrži određenu količinu vezane vode. Tokom procesa zagrijavanja, isparavanje vlage će utjecati na temperaturu staklastog prijelaza i proces razgradnje.
Praktična primjena utjecaja termičke degradacije HPMC
Karakteristike termičke degradacije HPMC-a su od velikog značaja u području njegove primjene. na primjer:
Građevinska industrija: HPMC se koristi u cementnim malterima i proizvodima od gipsa, a njegova stabilnost tokom visokotemperaturne konstrukcije mora se uzeti u obzir kako bi se izbjegla degradacija koja utječe na performanse vezivanja.
Farmaceutska industrija: HPMC je sredstvo za otpuštanje koje kontrolira lijek, a raspadanje se mora izbjegavati tokom proizvodnje na visokim temperaturama kako bi se osigurala stabilnost lijeka.
Prehrambena industrija: HPMC je aditiv za hranu, a njegove karakteristike termičke degradacije određuju njegovu primjenu u pečenju i preradi na visokim temperaturama.
Proces termičke degradacijeHPMCmogu se podijeliti na isparavanje vode i preliminarnu degradaciju u fazi niske temperature, cijepanje glavnog lanca i isparavanje malih molekula u fazi srednje temperature, te karbonizaciju i koksovanje u fazi visoke temperature. Na njegovu termičku stabilnost utiču faktori kao što su hemijska struktura, ambijentalna atmosfera, brzina grejanja i sadržaj vlage. Razumijevanje mehanizma termičke degradacije HPMC-a je od velike vrijednosti za optimizaciju njegove primjene i poboljšanje stabilnosti materijala.
Vrijeme objave: Mar-28-2025