Hidroxipropil metilcel·lulosa (HPMC)és un compost de polímer soluble en aigua àmpliament utilitzat en la construcció, la medicina, l'alimentació i la indústria química. És un èter de cel·lulosa no iònic obtingut per modificació química de la cel·lulosa natural, amb bones propietats d'espessiment, emulsificació, estabilització i pel·lícula. Tanmateix, en condicions d'alta temperatura, HPMC patirà una degradació tèrmica, la qual cosa té un impacte important en la seva estabilitat i rendiment en aplicacions pràctiques.
Procés de degradació tèrmica de HPMC
La degradació tèrmica de HPMC inclou principalment canvis físics i químics. Els canvis físics es manifesten principalment com l'evaporació de l'aigua, la transició vítrea i la reducció de la viscositat, mentre que els canvis químics impliquen la destrucció de l'estructura molecular, la divisió del grup funcional i el procés de carbonització final.
1. Etapa de baixa temperatura (100–200°C): evaporació de l'aigua i descomposició inicial
En condicions de baixa temperatura (al voltant de 100 ° C), HPMC pateix principalment evaporació de l'aigua i transició vítrea. Com que HPMC conté una certa quantitat d'aigua lligada, aquesta aigua s'evaporarà gradualment durant l'escalfament, afectant així les seves propietats reològiques. A més, la viscositat de HPMC també disminuirà amb l'augment de la temperatura. Els canvis en aquesta etapa són principalment canvis en les propietats físiques, mentre que l'estructura química es manté bàsicament inalterada.
Quan la temperatura continua augmentant fins als 150-200 °C, HPMC comença a patir reaccions preliminars de degradació química. Es manifesta principalment en l'eliminació de grups funcionals hidroxipropil i metoxi, donant lloc a una disminució del pes molecular i canvis estructurals. En aquesta etapa, HPMC pot produir una petita quantitat de petites molècules volàtils, com el metanol i el propionaldehid.
2. Etapa de temperatura mitjana (200-300 °C): degradació de la cadena principal i generació de molècules petites
Quan la temperatura augmenta encara més a 200-300 ° C, la velocitat de descomposició de HPMC s'accelera significativament. Els principals mecanismes de degradació inclouen:
Trencament de l'enllaç èter: la cadena principal de HPMC està connectada per unitats d'anells de glucosa, i els enllaços èter que hi ha es trenquen gradualment a alta temperatura, fent que la cadena del polímer es descomposi.
Reacció de deshidratació: l'estructura de l'anell de sucre de l'HPMC pot experimentar una reacció de deshidratació a alta temperatura per formar un intermedi inestable, que es descomposa encara més en productes volàtils.
Alliberament de molècules petites volàtils: durant aquesta etapa, HPMC allibera CO, CO₂, H₂O i matèria orgànica de molècules petites, com formaldehid, acetaldehid i acroleïna.
Aquests canvis faran que el pes molecular de l'HPMC disminueixi significativament, la viscositat disminuirà significativament i el material començarà a tornar-se groc i fins i tot produirà coc.
3. Etapa d'alta temperatura (300–500°C): carbonització i coquització
Quan la temperatura supera els 300 °C, HPMC entra en una etapa de degradació violenta. En aquest moment, la ruptura addicional de la cadena principal i la volatilització de compostos de molècules petites condueixen a la destrucció completa de l'estructura del material i, finalment, formen residus carbonosos (coc). Les reaccions següents es produeixen principalment en aquesta etapa:
Degradació oxidativa: a alta temperatura, HPMC experimenta una reacció d'oxidació per generar CO₂ i CO, i alhora forma residus carbonosos.
Reacció de cocització: part de l'estructura del polímer es transforma en productes de combustió incomplets, com ara negre de carboni o residus de coc.
Productes volàtils: continueu alliberant hidrocarburs com l'etilè, el propilè i el metà.
Quan s'escalfa a l'aire, HPMC pot cremar encara més, mentre que l'escalfament en absència d'oxigen forma principalment residus carbonitzats.
Factors que afecten la degradació tèrmica de HPMC
La degradació tèrmica de HPMC es veu afectada per molts factors, com ara:
Estructura química: el grau de substitució dels grups hidroxipropil i metoxi en HPMC afecta la seva estabilitat tèrmica. En termes generals, HPMC amb un contingut d'hidroxipropil més alt té una millor estabilitat tèrmica.
Atmosfera ambiental: a l'aire, HPMC és propens a la degradació oxidativa, mentre que en un entorn de gas inert (com el nitrogen), la seva taxa de degradació tèrmica és més lenta.
Velocitat d'escalfament: l'escalfament ràpid conduirà a una descomposició més ràpida, mentre que l'escalfament lent pot ajudar a HPMC a carbonitzar gradualment i reduir la producció de productes volàtils gasosos.
Contingut d'humitat: HPMC conté una certa quantitat d'aigua lligada. Durant el procés d'escalfament, l'evaporació de la humitat afectarà la seva temperatura de transició vítrea i el procés de degradació.
Impacte de l'aplicació pràctica de la degradació tèrmica de HPMC
Les característiques de degradació tèrmica de HPMC són de gran importància en el seu camp d'aplicació. Per exemple:
Indústria de la construcció: HPMC s'utilitza en morters de ciment i productes de guix, i s'ha de tenir en compte la seva estabilitat durant la construcció a alta temperatura per evitar la degradació que afecti el rendiment d'unió.
Indústria farmacèutica: HPMC és un agent d'alliberament controlat de fàrmacs i s'ha d'evitar la descomposició durant la producció a alta temperatura per garantir l'estabilitat del fàrmac.
Indústria alimentària: HPMC és un additiu alimentari, i les seves característiques de degradació tèrmica determinen la seva aplicabilitat en la cocció i processament a alta temperatura.
El procés de degradació tèrmica deHPMCes pot dividir en evaporació de l'aigua i degradació preliminar a l'etapa de baixa temperatura, escissió de la cadena principal i volatilització de molècules petites a l'etapa de temperatura mitjana i carbonització i cocització a l'etapa d'alta temperatura. La seva estabilitat tèrmica es veu afectada per factors com l'estructura química, l'atmosfera ambiental, la velocitat d'escalfament i el contingut d'humitat. Comprendre el mecanisme de degradació tèrmica de HPMC és de gran valor per optimitzar la seva aplicació i millorar l'estabilitat del material.
Hora de publicació: 28-mar-2025