Hüdroksüpropüülmetüültselluloos (HPMC)on vees lahustuv polümeerühend, mida kasutatakse laialdaselt ehitus-, meditsiini-, toiduaine- ja keemiatööstuses. See on mitteioonne tsellulooseeter, mis on saadud loodusliku tselluloosi keemilisel modifitseerimisel ja millel on head paksendavad, emulgeerivad, stabiliseerivad ja kilet moodustavad omadused. Kuid kõrge temperatuuri tingimustes toimub HPMC termiline lagunemine, mis mõjutab oluliselt selle stabiilsust ja toimivust praktilistes rakendustes.
HPMC termiline lagunemisprotsess
HPMC termiline lagunemine hõlmab peamiselt füüsikalisi ja keemilisi muutusi. Füüsikalised muutused avalduvad peamiselt vee aurustumise, klaasistumis- ja viskoossuse vähenemisena, keemilised muutused aga hõlmavad molekulaarstruktuuri hävimist, funktsionaalrühmade lõhustumist ja lõplikku karboniseerumisprotsessi.
1. Madala temperatuuri staadium (100–200°C): vee aurustumine ja esialgne lagunemine
Madala temperatuuri tingimustes (umbes 100 ° C) toimub HPMC peamiselt vee aurustumine ja klaasistumisprotsess. Kuna HPMC sisaldab teatud koguses seotud vett, aurustub see vesi kuumutamisel järk-järgult, mõjutades seega selle reoloogilisi omadusi. Lisaks väheneb temperatuuri tõustes ka HPMC viskoossus. Selles etapis toimuvad muutused on peamiselt füüsikaliste omaduste muutused, samas kui keemiline struktuur jääb põhimõtteliselt muutumatuks.
Kui temperatuur jätkab tõusmist 150-200 °C-ni, hakkab HPMC läbima esialgseid keemilisi lagunemisreaktsioone. See väljendub peamiselt hüdroksüpropüül- ja metoksüfunktsionaalsete rühmade eemaldamises, mille tulemuseks on molekulmassi vähenemine ja struktuurimuutused. Selles etapis võib HPMC toota väikese koguse väikeseid lenduvaid molekule, nagu metanool ja propioonaldehüüd.
2. Keskmise temperatuuri staadium (200-300 °C): peaahela lagunemine ja väikeste molekulide teke
Kui temperatuuri veelgi tõsta 200-300 °C-ni, kiireneb HPMC lagunemiskiirus oluliselt. Peamised lagunemismehhanismid hõlmavad järgmist:
Eetri sideme purunemine: HPMC põhiahel on ühendatud glükoositsükli ühikutega ja selles olevad eetersidemed lagunevad järk-järgult kõrgel temperatuuril, põhjustades polümeeri ahela lagunemise.
Dehüdratsioonireaktsioon: HPMC suhkruringi struktuur võib läbida kõrgel temperatuuril dehüdratsioonireaktsiooni, moodustades ebastabiilse vaheühendi, mis laguneb edasi lenduvateks saadusteks.
Väikese molekuliga lenduvate ainete eraldumine: selles etapis vabastab HPMC CO, CO₂, H2O ja väikese molekuliga orgaanilisi aineid, nagu formaldehüüd, atseetaldehüüd ja akroleiin.
Need muutused põhjustavad HPMC molekulmassi märkimisväärset langust, viskoossuse märkimisväärset langust ja materjal hakkab kollaseks muutuma ja isegi koksib.
3. Kõrgtemperatuuriline etapp (300–500°C): karboniseerimine ja koksimine
Kui temperatuur tõuseb üle 300 °C, läheb HPMC vägivaldse lagunemise faasi. Sel ajal viib põhiahela edasine katkemine ja väikeste molekulidega ühendite lendumine materjali struktuuri täieliku hävimiseni ja lõpuks moodustuvad süsinikusisaldusega jäägid (koks). Selles etapis esinevad peamiselt järgmised reaktsioonid:
Oksüdatiivne lagunemine: kõrgel temperatuuril läbib HPMC oksüdatsioonireaktsiooni, et tekitada CO₂ ja CO ning samal ajal moodustuvad süsinikusisaldusega jäägid.
Koksimisreaktsioon: osa polümeeri struktuurist muundatakse mittetäielikeks põlemisproduktideks, nagu tahma või koksi jäägid.
Lenduvad tooted: jätkake süsivesinike, nagu etüleen, propüleen ja metaan, vabastamist.
Õhus kuumutamisel võib HPMC veelgi põleda, samas kui hapniku puudumisel kuumutamisel moodustuvad peamiselt karboniseerunud jäägid.
HPMC termilist lagunemist mõjutavad tegurid
HPMC termilist lagunemist mõjutavad paljud tegurid, sealhulgas:
Keemiline struktuur: hüdroksüpropüül- ja metoksürühmade asendusaste HPMC-s mõjutab selle termilist stabiilsust. Üldiselt on suurema hüdroksüpropüülisisaldusega HPMC-l parem termiline stabiilsus.
Ümbritsev atmosfäär: õhus on HPMC kalduvus oksüdatiivsele lagunemisele, samas kui inertgaasi keskkonnas (nt lämmastik) on selle termiline lagunemiskiirus aeglasem.
Kuumutamiskiirus: kiire kuumutamine toob kaasa kiirema lagunemise, samas kui aeglane kuumutamine võib aidata HPMC-l järk-järgult karboniseerida ja vähendada gaasiliste lenduvate toodete teket.
Niiskusesisaldus: HPMC sisaldab teatud koguses seotud vett. Kuumutamise ajal mõjutab niiskuse aurustumine selle klaasistumistemperatuuri ja lagunemisprotsessi.
HPMC termilise lagunemise praktiline rakendusmõju
HPMC termilise lagunemise omadused on selle rakendusvaldkonnas väga olulised. Näiteks:
Ehitustööstus: HPMC-d kasutatakse tsemendimördis ja kipstoodetes ning selle stabiilsust kõrge temperatuuriga ehituse ajal tuleb arvestada, et vältida liimimisvõimet mõjutavat halvenemist.
Farmaatsiatööstus: HPMC on ravimite kontrollitud vabanemisega aine ja ravimi stabiilsuse tagamiseks tuleb kõrgel temperatuuril tootmisel vältida lagunemist.
Toiduainetööstus: HPMC on toidu lisaaine ja selle termilise lagunemise omadused määravad selle kasutatavuse kõrgel temperatuuril küpsetamisel ja töötlemisel.
Termilise lagunemise protsessHPMCvõib jagada vee aurustamiseks ja esialgseks lagunemiseks madalal temperatuuril, peaahela lõhustamiseks ja väikeste molekulide lendumiseks keskmisel temperatuuril ning karboniseerumiseks ja koksimiseks kõrgel temperatuuril. Selle termilist stabiilsust mõjutavad sellised tegurid nagu keemiline struktuur, ümbritsev atmosfäär, kuumutuskiirus ja niiskusesisaldus. HPMC termilise lagunemise mehhanismi mõistmine on selle rakenduse optimeerimiseks ja materjali stabiilsuse parandamiseks väga kasulik.
Postitusaeg: 28. märts 2025