하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 특성

하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(HPMC)는 비이온성 셀룰로오스 혼합 에테르의 일종입니다. 이온성 메틸 카르복시메틸 셀룰로오스 혼합 에테르와는 달리 중금속과 반응하지 않습니다. HPMC는 메톡실기와 하이드록시프로필기의 함량 비율 및 점도에 따라 다양한 특성을 지닌 여러 종류가 존재합니다. 예를 들어, 메톡실기 함량이 높고 하이드록시프로필기 함량이 낮은 HPMC는 메틸 셀룰로오스와 유사한 특성을 보이며, 메톡실기 함량이 낮고 하이드록시프로필기 함량이 높은 HPMC는 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스와 유사한 특성을 나타냅니다. 그러나 각 종류 내에서도 하이드록시프로필기 또는 메톡실기의 함량이 적더라도 유기 용매에서의 용해도나 수용액에서의 응집 온도에 큰 차이가 나타납니다.

(1) 하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 용해도 특성

①하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 수용성 하이드록시프로필메틸셀룰로오스는 프로필렌옥사이드(메톡시프로필)로 변성된 메틸셀룰로오스의 일종으로, 메틸셀룰로오스와 동일한 물성을 가지고 있습니다. 셀룰로오스는 찬물에 잘 녹고 뜨거운 물에는 녹지 않는다는 점에서 유사합니다. 그러나 변성된 하이드록시프로필기 때문에 뜨거운 물에서의 겔화 온도가 메틸셀룰로오스보다 훨씬 높습니다. 예를 들어, 메톡시 함량이 2%이고 치환도 DS=0.73, 하이드록시프로필 함량 MS=0.46인 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 수용액의 점도는 20°C에서 500 mPa·s이며, 겔화 온도는 약 100°C에 달하는 반면, 같은 온도에서 메틸셀룰로오스의 겔화 온도는 약 55°C에 불과합니다. 따라서 수용성 또한 크게 향상되었습니다. 예를 들어, 분말 형태의 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(20°C에서 0.2~0.5mm의 과립형이며 4% 수용액의 점도가 2pa·s인 물질)는 상온에서 냉각 없이 물에 쉽게 용해되며 구입할 수 있습니다.

②하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 유기 용매 용해도 하이드록시프로필메틸셀룰로오스는 메틸셀룰로오스보다 유기 용매에 대한 용해도가 더 우수하다. 2.1 이상의 제품에서, 하이드록시프로필 MS=1.5~1.8 및 메톡시 DS=0.2~1.0을 함유하고 총 치환도가 1.8 이상인 고점도 하이드록시프로필메틸셀룰로오스는 무수 메탄올 및 에탄올 용액에 중용해되며, 열가소성 및 수용성이다. 또한 염화메틸렌 및 클로로포름과 같은 염소화 탄화수소와 아세톤, 이소프로판올 및 디아세톤알코올과 같은 유기 용매에도 용해된다. 유기 용매에 대한 용해도가 물에 대한 용해도보다 우수하다.

(2) 하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 점도에 영향을 미치는 요인 하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 표준 점도 측정은 다른 셀룰로오스 에테르와 동일하며, 2% 수용액을 표준으로 하여 20°C에서 측정한다. 동일한 제품의 점도는 농도가 증가함에 따라 증가한다. 동일한 농도에서 분자량이 다른 제품의 경우, 분자량이 큰 제품의 점도가 더 높다. 온도와의 관계는 메틸셀룰로오스와 유사하다. 온도가 상승함에 따라 점도는 감소하기 시작하지만, 특정 온도에 도달하면,

점도가 갑자기 상승하면서 겔화가 일어납니다. 저점도 제품의 겔화 온도는 더 높습니다. 겔화점은 에테르의 점도뿐만 아니라 에테르 내 메톡실기와 하이드록시프로필기의 조성비 및 총 치환도와도 관련이 있습니다. 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 또한 의사소성 물질이며, 효소적 분해 가능성을 제외하면 실온에서 점도 저하 없이 용액이 안정적이라는 점에 유의해야 합니다.

(3) 하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 내염성 하이드록시프로필메틸셀룰로오스는 비이온성 에테르이므로, 다른 이온성 셀룰로오스 에테르(예: 카르복시메틸셀룰로오스는 중금속 이온과 반응하여 용액 내에서 침전됨)와는 달리 수용액에서 이온화되지 않습니다. 염화물, 브롬화물, 인산염, 질산염 등의 일반적인 염은 하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 수용액에 첨가해도 침전되지 않습니다. 그러나 염 첨가는 수용액의 응집 온도에 영향을 미칩니다. 염 농도가 증가하면 겔화 온도가 낮아지고, 염 농도가 응집점 이하일 경우 용액의 점도가 증가하는 경향이 있습니다. 따라서 응용 분야에서는 일정량의 염을 첨가하여 보다 경제적으로 점증 효과를 얻을 수 있습니다. 그러므로 일부 응용 분야에서는 고농도 에테르 용액을 사용하는 것보다 셀룰로오스 에테르와 염의 혼합물을 사용하여 점증 효과를 얻는 것이 더 효과적일 수 있습니다.

(4) 히드록시프로필메틸셀룰로오스의 내산성 및 내알칼리성 히드록시프로필메틸셀룰로오스는 일반적으로 산과 알칼리에 안정하며 pH 2~12 범위에서는 영향을 받지 않습니다. 포름산, 아세트산, 시트르산, 숙신산, 인산, 붕산 등과 같은 약산은 일정량까지 견딜 수 있습니다. 그러나 진한 산은 점도를 감소시키는 효과가 있습니다. 가성소다, 가성칼륨, 석회수와 같은 알칼리는 영향을 미치지 않지만 용액의 점도를 약간 증가시킨 후 서서히 감소시킵니다.

(5) 하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 혼화성 하이드록시프로필메틸셀룰로오스 용액은 수용성 고분자 화합물과 혼합하여 점도가 높은 균일하고 투명한 용액을 만들 수 있다. 이러한 고분자 화합물에는 폴리에틸렌글리콜, 폴리비닐아세테이트, 폴리실리콘, 폴리메틸비닐실록산, 하이드록시에틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스가 포함된다. 아라비아검, 로커스트빈검, 카라야검 등과 같은 천연 고분자 화합물도 이 용액과 우수한 상용성을 가진다. 하이드록시프로필메틸셀룰로오스는 스테아르산 또는 팔미트산의 만니톨 에스테르 또는 소르비톨 에스테르와도 혼합할 수 있으며, 글리세린, 소르비톨, 만니톨과도 혼합할 수 있고, 이러한 화합물은 셀룰로오스의 가소제로 사용될 수 있다.

(6) 하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 불용성 수용성 셀룰로오스 에테르는 표면에서 알데히드와 가교 반응을 일으켜 용액 내에서 침전되고 불용성이 됩니다. 하이드록시프로필메틸셀룰로오스를 불용성으로 만드는 알데히드에는 포름알데히드, 글리옥살, 숙신알데히드, 아디프알데히드 등이 있습니다. 포름알데히드를 사용할 때는 용액의 pH 값에 특히 주의해야 하며, 글리옥살은 반응 속도가 빠르기 때문에 산업 생산에서 가교제로 흔히 사용됩니다. 용액 내 이러한 가교제의 양은 에테르 질량의 0.2%~10%이며, 바람직하게는 7%~10%입니다. 예를 들어, 글리옥살 3.3%~6%가 가장 적합합니다. 일반적으로, 처리는 다음과 같습니다.

온도는 0~30℃, 반응 시간은 1~120분입니다. 가교 반응은 산성 조건에서 진행되어야 합니다. 일반적으로, 먼저 용액에 무기 강산 또는 유기 카르복실산을 첨가하여 용액의 pH를 약 2~6, 바람직하게는 4~6으로 조정한 후, 알데히드를 첨가하여 가교 반응을 진행합니다. 사용되는 산으로는 염산, 황산, 인산, 포름산, 아세트산, 히드록시아세트산, 숙신산 또는 시트르산 등이 있으며, 포름산 또는 아세트산을 사용하는 것이 바람직하고, 포름산이 최적입니다. 산과 알데히드를 동시에 첨가하여 원하는 pH 범위 내에서 가교 반응이 진행되도록 할 수도 있습니다. 이 반응은 셀룰로오스 에테르 제조 공정의 최종 처리 공정에 자주 사용됩니다. 셀룰로오스 에테르가 불용성이 되면 사용하기 편리합니다.

세척 및 정제에는 20~25℃의 물을 사용합니다. 제품 사용 시, 제품 용액에 알칼리성 물질을 첨가하여 용액의 pH를 알칼리성으로 조절하면 제품이 용액에 빠르게 용해됩니다. 이 방법은 셀룰로오스 에테르 용액으로 필름을 만든 후, 필름을 불용성 필름으로 처리하는 데에도 적용할 수 있습니다.

(7)하이드록시프로필메틸셀룰로오스의 효소 저항성은 이론적으로 셀룰로오스 유도체, 예를 들어 각 무수글루코스기, 단단히 결합된 치환기가 있는 경우 미생물에 의해 쉽게 감염되지 않지만, 실제로는 최종 제품의 치환값이 1을 초과하면 효소에 의해 분해됩니다. 이는 셀룰로오스 사슬의 각 그룹의 치환 정도가 충분히 균일하지 않고 미생물이 치환되지 않은 무수글루코스기를 침식하여 당을 형성하고 이를 미생물의 영양분으로 흡수할 수 있음을 의미합니다. 따라서 셀룰로오스의 에테르화 치환 정도가 증가하면 셀룰로오스 에테르의 효소 침식 저항성도 증가합니다. 보고에 따르면, 통제된 조건에서 효소 가수분해 결과, 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스(DS=1.9)의 잔류 점도는 13.2%, 메틸셀룰로오스(DS=1.83)는 7.3%, 메틸셀룰로오스(DS=1.66)는 3.8%, 하이드록시에틸셀룰로오스는 1.7%로 나타났습니다. 이는 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스가 강력한 항효소성을 가지고 있음을 보여줍니다. 따라서 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스는 우수한 효소 저항성과 더불어 뛰어난 분산성, 증점성, 필름 형성 특성을 지니고 있어 수성 에멀젼 코팅 등에 사용되며, 일반적으로 방부제를 첨가할 필요가 없습니다. 그러나 용액의 장기 보관이나 외부 오염 가능성을 고려하여 예방 차원에서 방부제를 첨가할 수 있으며, 방부제 선택은 용액의 최종 요구 사항에 따라 결정하면 됩니다. 페닐수은 아세트산염과 망간불소규산염은 효과적인 방부제이지만, 모두 독성이 있으므로 사용 시 주의해야 합니다. 일반적으로 페닐수은 아세트산염은 용액 1리터당 1~5mg을 첨가할 수 있습니다.

(8) 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스 필름의 성능 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스는 우수한 필름 형성 특성을 가지고 있습니다. 수용액 또는 유기 용매 용액을 유리판에 코팅하면 건조 후 무색 투명한 필름이 형성됩니다. 또한, 이 필름은 강인하며 내습성이 우수하고 고온에서도 고체 상태를 유지합니다. 흡습성 가소제를 첨가하면 신장률과 유연성을 향상시킬 수 있습니다. 유연성 향상 측면에서는 글리세린이나 소르비톨과 같은 가소제가 가장 적합합니다. 일반적으로 용액 농도는 2%~3%이고, 가소제 함량은 셀룰로오스 에테르의 10%~20%입니다. 가소제 함량이 너무 높으면 고습도 환경에서 콜로이드 탈수 수축이 발생할 수 있습니다. 이 필름의 인장 강도는

가소제를 첨가한 경우의 흡습성은 가소제를 첨가하지 않은 경우보다 훨씬 크며, 첨가량이 증가함에 따라 더욱 커진다. 필름의 흡습성 또한 가소제 첨가량이 증가함에 따라 증가한다.