Hydroxypropylmethylcelulóza (HPMC)je ve vodě rozpustná polymerní sloučenina široce používaná ve stavebnictví, lékařství, potravinářském a chemickém průmyslu. Jedná se o neiontový ether celulózy získaný chemickou modifikací přírodní celulózy s dobrými zahušťovacími, emulgačními, stabilizačními a filmotvornými vlastnostmi. Za podmínek vysoké teploty však HPMC podstoupí tepelnou degradaci, což má důležitý dopad na jeho stabilitu a výkon v praktických aplikacích.
Proces tepelné degradace HPMC
Tepelná degradace HPMC zahrnuje především fyzikální změny a chemické změny. Fyzikální změny se projevují především jako odpařování vody, skelný přechod a snížení viskozity, zatímco chemické změny zahrnují destrukci molekulární struktury, štěpení funkčních skupin a proces konečné karbonizace.
1. Nízkoteplotní fáze (100–200°C): odpařování vody a počáteční rozklad
Za podmínek nízké teploty (kolem 100 °C) podléhá HPMC hlavně odpařování vody a skelnému přechodu. Vzhledem k tomu, že HPMC obsahuje určité množství vázané vody, bude se tato voda během zahřívání postupně odpařovat, a tím ovlivňovat její reologické vlastnosti. Kromě toho se viskozita HPMC také sníží se zvýšením teploty. Změny v této fázi jsou především změny fyzikálních vlastností, přičemž chemická struktura zůstává v podstatě nezměněna.
Když teplota nadále stoupá na 150-200 °C, HPMC začne podléhat předběžným chemickým degradačním reakcím. Projevuje se především odstraněním hydroxypropylových a methoxy funkčních skupin, což má za následek snížení molekulové hmotnosti a strukturální změny. V této fázi může HPMC produkovat malé množství malých těkavých molekul, jako je methanol a propionaldehyd.
2. Stádium střední teploty (200-300°C): degradace hlavního řetězce a tvorba malých molekul
Když se teplota dále zvýší na 200-300 °C, rychlost rozkladu HPMC se výrazně zrychlí. Mezi hlavní degradační mechanismy patří:
Přerušení etherové vazby: Hlavní řetězec HPMC je spojen glukózovými kruhovými jednotkami a etherové vazby v něm se pod vysokou teplotou postupně lámou, což způsobuje rozklad polymerního řetězce.
Dehydratační reakce: Cukerná kruhová struktura HPMC může podléhat dehydratační reakci při vysoké teplotě za vzniku nestabilního meziproduktu, který se dále rozkládá na těkavé produkty.
Uvolňování těkavých látek s malou molekulou: Během této fáze HPMC uvolňuje CO, CO₂, H2O a organické látky s malými molekulami, jako je formaldehyd, acetaldehyd a akrolein.
Tyto změny způsobí, že molekulová hmotnost HPMC výrazně klesne, viskozita výrazně klesne a materiál začne žloutnout a dokonce produkovat koksování.
3. Vysokoteplotní fáze (300–500°C): karbonizace a koksování
Když teplota stoupne nad 300 °C, HPMC vstoupí do stádia prudké degradace. V této době další štěpení hlavního řetězce a těkání sloučenin s malou molekulou vede k úplné destrukci materiálové struktury a nakonec ke vzniku uhlíkatých zbytků (koks). V této fázi se vyskytují hlavně následující reakce:
Oxidační degradace: Při vysoké teplotě podléhá HPMC oxidační reakci za vzniku CO₂ a CO a současně tvoří uhlíkaté zbytky.
Koksovací reakce: Část polymerní struktury se přemění na produkty nedokonalého spalování, jako jsou saze nebo zbytky koksu.
Těkavé produkty: Pokračujte v uvolňování uhlovodíků, jako je ethylen, propylen a metan.
Při zahřívání na vzduchu může HPMC dále hořet, zatímco zahřívání v nepřítomnosti kyslíku tvoří hlavně karbonizované zbytky.
Faktory ovlivňující tepelnou degradaci HPMC
Tepelná degradace HPMC je ovlivněna mnoha faktory, včetně:
Chemická struktura: Stupeň substituce hydroxypropylových a methoxyskupin v HPMC ovlivňuje její tepelnou stabilitu. Obecně řečeno, HPMC s vyšším obsahem hydroxypropylu má lepší tepelnou stabilitu.
Okolní atmosféra: Ve vzduchu je HPMC náchylná k oxidační degradaci, zatímco v prostředí inertního plynu (jako je dusík) je rychlost její tepelné degradace pomalejší.
Rychlost ohřevu: Rychlý ohřev povede k rychlejšímu rozkladu, zatímco pomalý ohřev může pomoci HPMC postupně karbonizovat a snížit produkci plynných těkavých produktů.
Obsah vlhkosti: HPMC obsahuje určité množství vázané vody. Během procesu zahřívání ovlivní odpařování vlhkosti teplotu skelného přechodu a proces degradace.
Praktický aplikační dopad tepelné degradace HPMC
Charakteristiky tepelné degradace HPMC mají velký význam v oblasti použití. Například:
Stavební průmysl: HPMC se používá v cementových maltách a sádrových výrobcích a je třeba vzít v úvahu jeho stabilitu během vysokoteplotní výstavby, aby se zabránilo degradaci ovlivňující vlastnosti lepení.
Farmaceutický průmysl: HPMC je léčivo s řízeným uvolňováním a během výroby za vysokých teplot je třeba zabránit rozkladu, aby byla zajištěna stabilita léčiva.
Potravinářský průmysl: HPMC je potravinářská přísada a její vlastnosti tepelné degradace určují její použitelnost při vysokoteplotním pečení a zpracování.
Proces tepelné degradaceHPMClze rozdělit na odpařování vody a předběžnou degradaci v nízkoteplotním stupni, štěpení hlavního řetězce a těkání malých molekul ve středněteplotním stupni a karbonizaci a koksování ve vysokoteplotním stupni. Jeho tepelná stabilita je ovlivněna faktory, jako je chemická struktura, okolní atmosféra, rychlost ohřevu a obsah vlhkosti. Pochopení mechanismu tepelné degradace HPMC má velkou hodnotu pro optimalizaci jeho použití a zlepšení stability materiálu.
Čas odeslání: 28. března 2025