هیدروکسی پروپیل متیل سلولز (HPMC)یک ترکیب پلیمری محلول در آب است که به طور گسترده در صنایع ساختمانی، پزشکی، غذایی و شیمیایی استفاده می شود. این یک اتر سلولز غیر یونی است که از طریق اصلاح شیمیایی سلولز طبیعی به دست می‌آید و دارای خواص ضخیم‌کننده، امولسیون، تثبیت و تشکیل فیلم است. با این حال، تحت شرایط دمای بالا، HPMC دچار تخریب حرارتی می شود که تأثیر مهمی بر پایداری و عملکرد آن در کاربردهای عملی دارد.
فرآیند تخریب حرارتی HPMC
تخریب حرارتی HPMC عمدتاً شامل تغییرات فیزیکی و تغییرات شیمیایی است. تغییرات فیزیکی عمدتاً به صورت تبخیر آب، انتقال شیشه و کاهش ویسکوزیته ظاهر می‌شوند، در حالی که تغییرات شیمیایی شامل تخریب ساختار مولکولی، برش گروه عملکردی و فرآیند کربن‌سازی نهایی است.
1. مرحله دمای پایین (100-200 درجه سانتیگراد): تبخیر آب و تجزیه اولیه
تحت شرایط دمای پایین (حدود 100 درجه سانتیگراد)، HPMC عمدتاً تحت تبخیر آب و انتقال شیشه ای قرار می گیرد. از آنجایی که HPMC حاوی مقدار معینی آب محدود است، این آب به تدریج در حین گرم شدن تبخیر می شود و در نتیجه بر خواص رئولوژیکی آن تأثیر می گذارد. علاوه بر این، ویسکوزیته HPMC نیز با افزایش دما کاهش می یابد. تغییرات در این مرحله عمدتاً تغییرات در خواص فیزیکی است، در حالی که ساختار شیمیایی اساساً بدون تغییر باقی می ماند.
هنگامی که دما به 150-200 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، HPMC شروع به انجام واکنش های اولیه تخریب شیمیایی می کند. عمدتاً در حذف گروه های عاملی هیدروکسی پروپیل و متوکسی ظاهر می شود و در نتیجه وزن مولکولی و تغییرات ساختاری کاهش می یابد. در این مرحله، HPMC ممکن است مقدار کمی از مولکول های فرار کوچک مانند متانول و پروپیالدئید تولید کند.
2. مرحله دمای متوسط (200-300 درجه سانتیگراد): تخریب زنجیره اصلی و تولید مولکول کوچک
هنگامی که دما به 200-300 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، سرعت تجزیه HPMC به طور قابل توجهی تسریع می شود. مکانیسم های اصلی تخریب عبارتند از:
شکستگی باند اتری: زنجیره اصلی HPMC توسط واحدهای حلقه گلوکز به هم متصل می شود و پیوندهای اتری موجود در آن به تدریج در دمای بالا شکسته می شود و باعث تجزیه زنجیره پلیمری می شود.
واکنش کم آبی: ساختار حلقه قند HPMC ممکن است در دمای بالا تحت واکنش کم آبی قرار گیرد تا یک واسطه ناپایدار تشکیل دهد که بیشتر به محصولات فرار تجزیه می شود.
آزادسازی مواد فرار مولکولی کوچک: در طول این مرحله، HPMC CO، CO2، H2O و مواد آلی مولکولی کوچک مانند فرمالدئید، استالدئید و آکرولئین را آزاد می‌کند.
این تغییرات باعث می شود وزن مولکولی HPMC به طور قابل توجهی کاهش یابد، ویسکوزیته به میزان قابل توجهی کاهش یابد و مواد شروع به زرد شدن و حتی تولید کک کنند.
3. مرحله دمای بالا (300-500 درجه سانتیگراد): کربنیزاسیون و کک کردن
هنگامی که دما از 300 درجه سانتیگراد بالاتر می رود، HPMC وارد مرحله تخریب شدید می شود. در این زمان، شکستگی بیشتر زنجیره اصلی و تبخیر شدن ترکیبات مولکولی کوچک منجر به تخریب کامل ساختار مواد و در نهایت تشکیل بقایای کربنی (کک) می شود. واکنش های زیر عمدتا در این مرحله رخ می دهد:
تخریب اکسیداتیو: در دمای بالا، HPMC تحت واکنش اکسیداسیون برای تولید CO2 و CO، و در همان زمان باقی مانده کربن تشکیل می شود.
واکنش کک سازی: بخشی از ساختار پلیمری به محصولات احتراق ناقص مانند کربن سیاه یا باقی مانده های کک تبدیل می شود.
محصولات فرار: به آزادسازی هیدروکربن هایی مانند اتیلن، پروپیلن و متان ادامه دهید.
هنگامی که در هوا گرم می شود، HPMC ممکن است بیشتر بسوزد، در حالی که گرم شدن در غیاب اکسیژن عمدتاً بقایای کربن شده را تشکیل می دهد.
عوامل موثر بر تخریب حرارتی HPMC
تخریب حرارتی HPMC تحت تأثیر عوامل زیادی قرار می گیرد، از جمله:
ساختار شیمیایی: درجه جایگزینی گروه های هیدروکسی پروپیل و متوکسی در HPMC بر پایداری حرارتی آن تأثیر می گذارد. به طور کلی، HPMC با محتوای هیدروکسی پروپیل بالاتر، پایداری حرارتی بهتری دارد.
جو محیط: در هوا، HPMC مستعد تخریب اکسیداتیو است، در حالی که در یک محیط گاز بی اثر (مانند نیتروژن)، سرعت تخریب حرارتی آن کندتر است.
سرعت گرمایش: گرمایش سریع منجر به تجزیه سریع‌تر می‌شود، در حالی که حرارت آهسته ممکن است به HPMC کمک کند تا به تدریج کربن‌سازی شده و تولید محصولات فرار گازی را کاهش دهد.
محتوای رطوبت: HPMC حاوی مقدار معینی آب محدود است. در طی فرآیند گرمایش، تبخیر رطوبت بر دمای انتقال شیشه ای و فرآیند تخریب آن تأثیر می گذارد.
تاثیر کاربرد عملی تخریب حرارتی HPMC
ویژگی های تخریب حرارتی HPMC در زمینه کاربرد آن از اهمیت زیادی برخوردار است. به عنوان مثال:
صنعت ساخت و ساز: HPMC در ملات سیمان و محصولات گچ استفاده می شود و پایداری آن در طول ساخت و ساز در دمای بالا باید در نظر گرفته شود تا از تخریب بر عملکرد چسبندگی جلوگیری شود.
صنعت داروسازی: HPMC یک عامل رهاسازی کنترل شده دارو است و برای اطمینان از پایداری دارو باید از تجزیه آن در طول تولید در دمای بالا اجتناب کرد.
صنایع غذایی: HPMC یک افزودنی مواد غذایی است و ویژگی های تخریب حرارتی آن تعیین کننده کاربرد آن در پخت و فرآوری در دمای بالا است.
فرآیند تخریب حرارتیHPMCرا می توان به تبخیر آب و تخریب اولیه در مرحله دمای پایین، برش زنجیره اصلی و تبخیر مولکول های کوچک در مرحله دمای متوسط و کربن سازی و کک سازی در مرحله دمای بالا تقسیم کرد. پایداری حرارتی آن تحت تأثیر عواملی مانند ساختار شیمیایی، اتمسفر محیط، میزان گرمایش و میزان رطوبت است. درک مکانیسم تخریب حرارتی HPMC برای بهینه سازی کاربرد آن و بهبود پایداری مواد ارزش زیادی دارد.
زمان ارسال: مارس-28-2025