Hidroksipropil metilselulosa (HPMC)adalah senyawa polimer yang larut dalam air yang banyak digunakan dalam industri konstruksi, kedokteran, makanan, dan kimia. Senyawa ini merupakan eter selulosa non-ionik yang diperoleh melalui modifikasi kimia selulosa alami, dengan sifat pengentalan, pengemulsi, stabilisasi, dan pembentukan film yang baik. Namun, dalam kondisi suhu tinggi, HPMC akan mengalami degradasi termal, yang berdampak penting pada stabilitas dan kinerjanya dalam aplikasi praktis.
Proses degradasi termal HPMC
Degradasi termal HPMC terutama meliputi perubahan fisik dan kimia. Perubahan fisik terutama terwujud sebagai penguapan air, transisi kaca, dan penurunan viskositas, sedangkan perubahan kimia melibatkan penghancuran struktur molekul, pembelahan gugus fungsi, dan proses karbonisasi akhir.
1. Tahap suhu rendah (100–200°C): penguapan air dan dekomposisi awal
Pada kondisi suhu rendah (sekitar 100°C), HPMC terutama mengalami penguapan air dan transisi kaca. Karena HPMC mengandung sejumlah air terikat, air ini akan menguap secara bertahap selama pemanasan, sehingga memengaruhi sifat reologinya. Selain itu, viskositas HPMC juga akan menurun seiring dengan peningkatan suhu. Perubahan pada tahap ini terutama merupakan perubahan sifat fisik, sedangkan struktur kimianya pada dasarnya tetap tidak berubah.
Ketika suhu terus meningkat hingga 150-200°C, HPMC mulai mengalami reaksi degradasi kimia awal. Hal ini terutama terwujud dalam penghilangan gugus fungsi hidroksipropil dan metoksi, yang mengakibatkan penurunan berat molekul dan perubahan struktur. Pada tahap ini, HPMC dapat menghasilkan sejumlah kecil molekul volatil kecil, seperti metanol dan propionaldehida.
2. Tahap suhu sedang (200-300°C): degradasi rantai utama dan pembentukan molekul kecil
Bila suhu dinaikkan lagi hingga 200-300°C, laju dekomposisi HPMC akan meningkat secara signifikan. Mekanisme degradasi utamanya meliputi:
Putusnya ikatan eter: Rantai utama HPMC dihubungkan oleh unit cincin glukosa, dan ikatan eter di dalamnya secara bertahap putus pada suhu tinggi, menyebabkan rantai polimer terurai.
Reaksi dehidrasi: Struktur cincin gula HPMC dapat mengalami reaksi dehidrasi pada suhu tinggi untuk membentuk zat antara yang tidak stabil, yang selanjutnya diurai menjadi produk yang mudah menguap.
Pelepasan zat volatil molekul kecil: Selama tahap ini, HPMC melepaskan CO, CO₂, H₂O dan bahan organik molekul kecil, seperti formaldehida, asetaldehida, dan akrolein.
Perubahan ini akan menyebabkan berat molekul HPMC turun signifikan, viskositas turun signifikan, dan bahan akan mulai menguning dan bahkan menghasilkan kokas.
3. Tahap suhu tinggi (300–500°C): karbonisasi dan kokas
Ketika suhu naik di atas 300°C, HPMC memasuki tahap degradasi yang hebat. Pada saat ini, kerusakan lebih lanjut pada rantai utama dan penguapan senyawa molekul kecil menyebabkan kerusakan total pada struktur material, dan akhirnya membentuk residu karbon (kokas). Reaksi-reaksi berikut terutama terjadi pada tahap ini:
Degradasi oksidatif: Pada suhu tinggi, HPMC mengalami reaksi oksidasi untuk menghasilkan CO₂ dan CO, dan pada saat yang sama membentuk residu karbon.
Reaksi kokas: Bagian dari struktur polimer diubah menjadi produk pembakaran tidak sempurna, seperti karbon hitam atau residu kokas.
Produk yang mudah menguap: Terus melepaskan hidrokarbon seperti etilena, propilena, dan metana.
Bila dipanaskan di udara, HPMC dapat terbakar lebih lanjut, sedangkan pemanasan tanpa oksigen terutama membentuk residu berkarbonasi.
Faktor-faktor yang mempengaruhi degradasi termal HPMC
Degradasi termal HPMC dipengaruhi oleh banyak faktor, termasuk:
Struktur kimia: Tingkat substitusi gugus hidroksipropil dan metoksi dalam HPMC memengaruhi stabilitas termalnya. Secara umum, HPMC dengan kandungan hidroksipropil yang lebih tinggi memiliki stabilitas termal yang lebih baik.
Suasana sekitar: Di udara, HPMC rentan terhadap degradasi oksidatif, sedangkan di lingkungan gas inert (seperti nitrogen), laju degradasi termalnya lebih lambat.
Laju pemanasan: Pemanasan cepat akan menghasilkan dekomposisi yang lebih cepat, sementara pemanasan lambat dapat membantu HPMC untuk secara bertahap mengkarbonisasi dan mengurangi produksi produk volatil berbentuk gas.
Kadar air: HPMC mengandung sejumlah air terikat. Selama proses pemanasan, penguapan air akan memengaruhi suhu transisi kaca dan proses degradasinya.
Dampak aplikasi praktis degradasi termal HPMC
Karakteristik degradasi termal HPMC sangat penting dalam bidang aplikasinya. Misalnya:
Industri konstruksi: HPMC digunakan dalam mortar semen dan produk gipsum, dan stabilitasnya selama konstruksi suhu tinggi harus dipertimbangkan untuk menghindari degradasi yang memengaruhi kinerja ikatan.
Industri farmasi: HPMC adalah agen pelepasan obat yang terkendali, dan dekomposisi harus dihindari selama produksi suhu tinggi untuk memastikan stabilitas obat.
Industri makanan: HPMC adalah bahan tambahan makanan, dan karakteristik degradasi termalnya menentukan penerapannya dalam pemanggangan dan pemrosesan suhu tinggi.
Proses degradasi termal dariHPMCdapat dibagi menjadi penguapan air dan degradasi awal pada tahap suhu rendah, pembelahan rantai utama dan penguapan molekul kecil pada tahap suhu sedang, serta karbonisasi dan kokas pada tahap suhu tinggi. Stabilitas termalnya dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti struktur kimia, atmosfer sekitar, laju pemanasan, dan kadar air. Memahami mekanisme degradasi termal HPMC sangat penting untuk mengoptimalkan penerapannya dan meningkatkan stabilitas material.
Waktu posting: 28-Mar-2025