Hidroksipropilmetilceliuliozė (HPMC)yra vandenyje tirpus polimerinis junginys, plačiai naudojamas statybos, medicinos, maisto ir chemijos pramonėje. Tai nejoninis celiuliozės eteris, gautas chemiškai modifikuojant natūralią celiuliozę, pasižymintis geromis tirštinimo, emulsinimo, stabilizavimo ir plėvelės formavimo savybėmis. Tačiau, esant aukštai temperatūrai, HPMC bus terminis irimas, o tai turi didelę įtaką jo stabilumui ir veikimui praktiškai.
HPMC terminio skilimo procesas
HPMC terminis skilimas daugiausia apima fizinius ir cheminius pokyčius. Fiziniai pokyčiai daugiausia pasireiškia vandens išgaravimu, stiklėjimu ir klampos sumažėjimu, o cheminiai pokyčiai susiję su molekulinės struktūros sunaikinimu, funkcinių grupių skilimu ir galutiniu karbonizacijos procesu.
1. Žemos temperatūros stadija (100–200°C): vandens išgaravimas ir pradinis skilimas
Esant žemai temperatūrai (apie 100 °C), HPMC daugiausia išgaruoja vanduo ir stiklėja. Kadangi HPMC yra tam tikras surišto vandens kiekis, šis vanduo kaitinant palaipsniui išgaruos, taip paveikdamas jo reologines savybes. Be to, HPMC klampumas taip pat mažės kylant temperatūrai. Šio etapo pokyčiai daugiausia yra fizikinių savybių pokyčiai, o cheminė struktūra iš esmės išlieka nepakitusi.
Kai temperatūra toliau kyla iki 150-200°C, HPMC pradeda vykti preliminarios cheminės skilimo reakcijos. Tai daugiausia pasireiškia hidroksipropilo ir metoksi funkcinių grupių pašalinimu, dėl to sumažėja molekulinė masė ir struktūriniai pokyčiai. Šiame etape HPMC gali pagaminti nedidelį kiekį mažų lakiųjų molekulių, tokių kaip metanolis ir propionaldehidas.
2. Vidutinės temperatūros stadija (200-300°C): pagrindinės grandinės skilimas ir mažų molekulių susidarymas
Toliau didinant temperatūrą iki 200-300°C, HPMC skilimo greitis žymiai pagreitėja. Pagrindiniai degradacijos mechanizmai yra šie:
Eterio jungties nutrūkimas: pagrindinė HPMC grandinė yra sujungta gliukozės žiedo vienetais, o joje esantys eteriniai ryšiai aukštoje temperatūroje palaipsniui nutrūksta, todėl polimero grandinė suyra.
Dehidratacijos reakcija: HPMC cukrų žiedo struktūra aukštoje temperatūroje gali įvykti dehidratacijos reakcija, kad susidarytų nestabilus tarpinis produktas, kuris toliau suskaidomas į lakius produktus.
Mažų molekulių lakiųjų medžiagų išskyrimas: Šiame etape HPMC išskiria CO, CO₂, H2O ir mažų molekulių organines medžiagas, tokias kaip formaldehidas, acetaldehidas ir akroleinas.
Dėl šių pokyčių žymiai sumažės HPMC molekulinė masė, smarkiai sumažės klampumas, o medžiaga pradės gelsti ir netgi susidarys koksavimas.
3. Aukštos temperatūros stadija (300–500°C): karbonizacija ir koksavimas
Kai temperatūra pakyla virš 300°C, HPMC pereina į smarkaus skilimo stadiją. Šiuo metu tolesnis pagrindinės grandinės nutrūkimas ir mažų molekulių junginių lakavimas lemia visišką medžiagos struktūros sunaikinimą ir galiausiai susidaro anglies likučiai (koksas). Šiame etape dažniausiai pasireiškia šios reakcijos:
Oksidacinis skilimas: aukštoje temperatūroje HPMC vyksta oksidacijos reakcija, kad susidarytų CO₂ ir CO, ir tuo pačiu metu susidaro anglies likučiai.
Koksavimo reakcija: dalis polimero struktūros virsta neužbaigtais degimo produktais, tokiais kaip suodžiai arba kokso likučiai.
Lakieji produktai: toliau išskirkite angliavandenilius, tokius kaip etilenas, propilenas ir metanas.
Kaitinamas ore, HPMC gali toliau degti, o kaitinant be deguonies daugiausia susidaro karbonizuoti likučiai.
Veiksniai, turintys įtakos HPMC terminiam skilimui
HPMC terminį skilimą įtakoja daugelis veiksnių, įskaitant:
Cheminė struktūra: hidroksipropilo ir metoksi grupių pakeitimo laipsnis HPMC turi įtakos jo terminiam stabilumui. Paprastai tariant, HPMC, turintis didesnį hidroksipropilo kiekį, turi geresnį terminį stabilumą.
Aplinkos atmosfera: ore HPMC yra linkęs į oksidacinį skaidymąsi, o inertinių dujų aplinkoje (pvz., azoto) jo terminis skilimas yra lėtesnis.
Kaitinimo greitis: greitas kaitinimas lems greitesnį skilimą, o lėtas kaitinimas gali padėti HPMC palaipsniui karbonizuotis ir sumažinti dujinių lakiųjų produktų gamybą.
Drėgmės kiekis: HPMC yra tam tikras surišto vandens kiekis. Šildymo proceso metu drėgmės išgaravimas turės įtakos jo stiklėjimo temperatūrai ir skilimo procesui.
HPMC terminio skilimo praktinis pritaikymas
HPMC terminio skilimo charakteristikos yra labai svarbios jo taikymo srityje. Pavyzdžiui:
Statybos pramonė: HPMC naudojamas cemento skiedinyje ir gipso gaminiuose, todėl reikia atsižvelgti į jo stabilumą statant aukštoje temperatūroje, kad būtų išvengta blogėjimo, turinčio įtakos sukibimo savybėms.
Farmacijos pramonė: HPMC yra kontroliuojamo vaisto atpalaidavimo agentas, todėl gaminant aukštoje temperatūroje reikia vengti skilimo, kad būtų užtikrintas vaisto stabilumas.
Maisto pramonė: HPMC yra maisto priedas, o jo terminio skilimo charakteristikos lemia jo pritaikymą kepant ir perdirbant aukštoje temperatūroje.
Terminis skilimo procesasHPMCGalima suskirstyti į vandens garavimą ir preliminarų skaidymą žemoje temperatūroje, pagrindinės grandinės skilimą ir mažų molekulių išgarinimą vidutinės temperatūros stadijoje, karbonizaciją ir koksavimą aukštoje temperatūroje. Jo šiluminį stabilumą įtakoja tokie veiksniai kaip cheminė struktūra, aplinkos atmosfera, šildymo greitis ir drėgmės kiekis. HPMC terminio skilimo mechanizmo supratimas yra labai naudingas siekiant optimizuoti jo taikymą ir pagerinti medžiagos stabilumą.
Paskelbimo laikas: 2025-03-28