Hidroksipropil metilceluloza (HPMC)je polimerni spoj topljiv u vodi koji se široko koristi u građevinarstvu, medicini, prehrambenoj i kemijskoj industriji. To je neionski celulozni eter dobiven kemijskom modifikacijom prirodne celuloze, s dobrim svojstvima zgušnjavanja, emulgiranja, stabilizacije i stvaranja filma. Međutim, pod uvjetima visoke temperature, HPMC će biti podvrgnut toplinskoj degradaciji, što ima važan utjecaj na njegovu stabilnost i performanse u praktičnim primjenama.
Proces toplinske razgradnje HPMC-a
Toplinska razgradnja HPMC uglavnom uključuje fizičke i kemijske promjene. Fizičke promjene uglavnom se očituju kao isparavanje vode, stakleni prijelaz i smanjenje viskoznosti, dok kemijske promjene uključuju razaranje molekularne strukture, cijepanje funkcionalne skupine i konačni proces karbonizacije.
1. Faza niske temperature (100–200°C): isparavanje vode i početna razgradnja
U uvjetima niske temperature (oko 100°C), HPMC uglavnom prolazi kroz isparavanje vode i stakleni prijelaz. Budući da HPMC sadrži određenu količinu vezane vode, ta će voda postupno isparavati tijekom zagrijavanja, što utječe na njezina reološka svojstva. Osim toga, viskoznost HPMC-a također će se smanjiti s povećanjem temperature. Promjene u ovoj fazi uglavnom su promjene fizičkih svojstava, dok kemijska struktura ostaje u osnovi nepromijenjena.
Kada temperatura nastavi rasti do 150-200°C, HPMC počinje prolaziti preliminarne reakcije kemijske razgradnje. Uglavnom se očituje u uklanjanju hidroksipropilne i metoksi funkcionalne skupine, što rezultira smanjenjem molekulske mase i strukturnim promjenama. U ovoj fazi HPMC može proizvesti malu količinu malih hlapljivih molekula, poput metanola i propionaldehida.
2. Stadij srednje temperature (200-300°C): razgradnja glavnog lanca i stvaranje malih molekula
Kad se temperatura dodatno poveća na 200-300°C, brzina razgradnje HPMC-a se značajno ubrzava. Glavni mehanizmi razgradnje uključuju:
Pucanje eterske veze: Glavni lanac HPMC-a povezan je prstenastim jedinicama glukoze, a eterske veze u njemu postupno pucaju pod visokom temperaturom, uzrokujući razgradnju polimernog lanca.
Reakcija dehidracije: Struktura šećernog prstena HPMC-a može biti podvrgnuta reakciji dehidracije na visokoj temperaturi da nastane nestabilan intermedijer, koji se dalje razgrađuje u hlapljive produkte.
Otpuštanje hlapljivih tvari male molekule: tijekom ove faze HPMC oslobađa CO, CO₂, H₂O i organsku tvar malih molekula, kao što su formaldehid, acetaldehid i akrolein.
Ove će promjene uzrokovati značajan pad molekularne težine HPMC-a, značajan pad viskoznosti, a materijal će početi žutjeti i čak proizvoditi koksiranje.
3. Visokotemperaturni stupanj (300–500°C): karbonizacija i koksiranje
Kada temperatura poraste iznad 300°C, HPMC ulazi u fazu nasilne degradacije. U to vrijeme, daljnji prekid glavnog lanca i isparavanje spojeva male molekule dovode do potpunog razaranja strukture materijala, te na kraju stvaraju ugljične ostatke (koks). U ovoj fazi uglavnom se javljaju sljedeće reakcije:
Oksidativna degradacija: Na visokoj temperaturi, HPMC prolazi kroz reakciju oksidacije da bi se proizveli CO₂ i CO, a u isto vrijeme formiraju se ostaci ugljika.
Reakcija koksiranja: Dio strukture polimera pretvara se u produkte nepotpunog izgaranja, kao što su čađa ili ostaci koksa.
Hlapljivi proizvodi: Nastavite otpuštati ugljikovodike kao što su etilen, propilen i metan.
Kada se zagrijava na zraku, HPMC može dalje gorjeti, dok zagrijavanje u odsutnosti kisika uglavnom stvara karbonizirane ostatke.
Čimbenici koji utječu na toplinsku degradaciju HPMC
Na toplinsku razgradnju HPMC-a utječu mnogi čimbenici, uključujući:
Kemijska struktura: Stupanj supstitucije hidroksipropilnih i metoksi skupina u HPMC-u utječe na njegovu toplinsku stabilnost. Općenito govoreći, HPMC s višim sadržajem hidroksipropila ima bolju toplinsku stabilnost.
Ambijentalna atmosfera: HPMC je na zraku sklon oksidativnoj razgradnji, dok je u okruženju inertnog plina (kao što je dušik) njegova toplinska razgradnja sporija.
Brzina zagrijavanja: Brzo zagrijavanje će dovesti do bržeg raspadanja, dok sporo zagrijavanje može pomoći HPMC-u da se postupno karbonizira i smanji proizvodnju plinovitih hlapljivih proizvoda.
Sadržaj vlage: HPMC sadrži određenu količinu vezane vode. Tijekom procesa zagrijavanja, isparavanje vlage utjecat će na njegovu temperaturu staklastog prijelaza i proces razgradnje.
Utjecaj toplinske razgradnje HPMC-a na praktičnu primjenu
Karakteristike toplinske razgradnje HPMC-a od velike su važnosti u području njegove primjene. Na primjer:
Građevinska industrija: HPMC se koristi u cementnim mortovima i proizvodima od gipsa, a njegova stabilnost tijekom gradnje na visokim temperaturama mora se uzeti u obzir kako bi se izbjegla degradacija koja utječe na učinak lijepljenja.
Farmaceutska industrija: HPMC je sredstvo za kontrolirano otpuštanje lijeka i potrebno je izbjegavati razgradnju tijekom proizvodnje na visokim temperaturama kako bi se osigurala stabilnost lijeka.
Prehrambena industrija: HPMC je prehrambeni aditiv, a njegove karakteristike toplinske razgradnje određuju njegovu primjenjivost u pečenju i obradi na visokim temperaturama.
Proces toplinske razgradnjeHPMCmože se podijeliti na isparavanje vode i preliminarnu razgradnju u fazi niske temperature, cijepanje glavnog lanca i isparavanje malih molekula u fazi srednje temperature te karbonizaciju i koksiranje u fazi visoke temperature. Na njegovu toplinsku stabilnost utječu čimbenici kao što su kemijska struktura, ambijentalna atmosfera, brzina zagrijavanja i sadržaj vlage. Razumijevanje mehanizma toplinske razgradnje HPMC-a od velike je vrijednosti za optimizaciju njegove primjene i poboljšanje stabilnosti materijala.
Vrijeme objave: 28. ožujka 2025