Hidroksipropilmetilceluloze (HPMC)ir ūdenī šķīstošs polimēru savienojums, ko plaši izmanto celtniecībā, medicīnā, pārtikas un ķīmiskajā rūpniecībā. Tas ir nejonu celulozes ēteris, kas iegūts, ķīmiski modificējot dabisko celulozi, ar labām sabiezēšanas, emulgācijas, stabilizācijas un plēvi veidojošām īpašībām. Tomēr augstas temperatūras apstākļos HPMC tiks pakļauts termiskai degradācijai, kas būtiski ietekmē tā stabilitāti un veiktspēju praktiskajos lietojumos.
HPMC termiskās noārdīšanās process
HPMC termiskā degradācija galvenokārt ietver fiziskas un ķīmiskas izmaiņas. Fizikālās izmaiņas galvenokārt izpaužas kā ūdens iztvaikošana, stiklošanās un viskozitātes samazināšanās, savukārt ķīmiskās izmaiņas ietver molekulārās struktūras iznīcināšanu, funkcionālo grupu šķelšanos un galīgo karbonizācijas procesu.
1. Zemas temperatūras stadija (100–200°C): ūdens iztvaikošana un sākotnējā sadalīšanās
Zemas temperatūras apstākļos (apmēram 100°C) HPMC galvenokārt notiek ūdens iztvaikošana un stiklošanās. Tā kā HPMC satur noteiktu daudzumu saistītā ūdens, šis ūdens karsēšanas laikā pakāpeniski iztvaiko, tādējādi ietekmējot tā reoloģiskās īpašības. Turklāt, paaugstinoties temperatūrai, samazināsies arī HPMC viskozitāte. Izmaiņas šajā posmā galvenokārt ir fizikālo īpašību izmaiņas, bet ķīmiskā struktūra pamatā paliek nemainīga.
Kad temperatūra turpina paaugstināties līdz 150-200°C, HPMC sāk iziet sākotnējās ķīmiskās noārdīšanās reakcijas. Tas galvenokārt izpaužas kā hidroksipropil un metoksi funkcionālo grupu atdalīšana, kā rezultātā samazinās molekulmasa un strukturālās izmaiņas. Šajā posmā HPMC var radīt nelielu daudzumu mazu gaistošu molekulu, piemēram, metanolu un propionaldehīdu.
2. Vidējas temperatūras stadija (200-300°C): galvenās ķēdes degradācija un mazo molekulu ģenerēšana
Ja temperatūru vēl vairāk paaugstina līdz 200-300°C, HPMC sadalīšanās ātrums ir ievērojami paātrināts. Galvenie degradācijas mehānismi ietver:
Ētera saites pārrāvums: HPMC galveno ķēdi savieno glikozes gredzena vienības, un tajā esošās ētera saites augstā temperatūrā pakāpeniski pārtrūkst, izraisot polimēra ķēdes sadalīšanos.
Dehidratācijas reakcija: HPMC šugaringa struktūra var tikt pakļauta dehidratācijas reakcijai augstā temperatūrā, veidojot nestabilu starpproduktu, kas tālāk sadalās gaistošos produktos.
Mazu molekulu gaistošo vielu izdalīšanās: šajā posmā HPMC atbrīvo CO, CO₂, H2O un mazu molekulu organiskās vielas, piemēram, formaldehīdu, acetaldehīdu un akroleīnu.
Šo izmaiņu rezultātā HPMC molekulmasa ievērojami samazināsies, viskozitāte ievērojami samazināsies, un materiāls sāks dzeltēt un pat radīt koksu.
3. Augstas temperatūras stadija (300–500°C): karbonizācija un koksēšana
Kad temperatūra paaugstinās virs 300°C, HPMC nonāk spēcīgas degradācijas stadijā. Šajā laikā tālāka galvenās ķēdes pārrāvums un mazu molekulu savienojumu iztvaikošana noved pie pilnīgas materiāla struktūras iznīcināšanas un visbeidzot veido oglekli saturošus atlikumus (koksu). Šajā posmā galvenokārt rodas šādas reakcijas:
Oksidatīvā noārdīšanās: augstā temperatūrā HPMC tiek pakļauts oksidācijas reakcijai, lai radītu CO₂ un CO, un tajā pašā laikā veidojas oglekli saturoši atlikumi.
Koksēšanas reakcija: daļa no polimēra struktūras tiek pārveidota par nepilnīgiem sadegšanas produktiem, piemēram, ogļu vai koksa atlikumiem.
Gaistošie produkti: turpiniet izdalīt ogļūdeņražus, piemēram, etilēnu, propilēnu un metānu.
Karsējot gaisā, HPMC var vēl vairāk degt, savukārt karsēšana bez skābekļa galvenokārt veido karbonizētus atlikumus.
Faktori, kas ietekmē HPMC termisko noārdīšanos
HPMC termisko noārdīšanos ietekmē daudzi faktori, tostarp:
Ķīmiskā struktūra: hidroksipropil- un metoksigrupu aizstāšanas pakāpe HPMC ietekmē tā termisko stabilitāti. Vispārīgi runājot, HPMC ar augstāku hidroksipropila saturu ir labāka termiskā stabilitāte.
Apkārtējā atmosfēra: gaisā HPMC ir pakļauts oksidatīvai noārdīšanai, savukārt inertās gāzes vidē (piemēram, slāpeklī) tā termiskā noārdīšanās ātrums ir lēnāks.
Karsēšanas ātrums: ātra karsēšana izraisīs ātrāku sadalīšanos, savukārt lēna karsēšana var palīdzēt HPMC pakāpeniski karbonizēties un samazināt gāzveida gaistošo produktu veidošanos.
Mitruma saturs: HPMC satur noteiktu daudzumu saistītā ūdens. Sildīšanas procesā mitruma iztvaikošana ietekmēs tā stiklošanās temperatūru un noārdīšanās procesu.
HPMC termiskās degradācijas praktiskā pielietojuma ietekme
HPMC termiskās noārdīšanās raksturlielumiem ir liela nozīme tā pielietojuma jomā. Piemēram:
Būvniecības nozare: HPMC izmanto cementa javā un ģipša izstrādājumos, un ir jāņem vērā tā stabilitāte augstas temperatūras būvniecības laikā, lai izvairītos no degradācijas, kas ietekmē savienojuma veiktspēju.
Farmācijas rūpniecība: HPMC ir zāles ar kontrolētu atbrīvošanos līdzekli, un, lai nodrošinātu zāļu stabilitāti, augstas temperatūras ražošanas laikā ir jāizvairās no sadalīšanās.
Pārtikas rūpniecība: HPMC ir pārtikas piedeva, un tās termiskās noārdīšanās īpašības nosaka tās pielietojamību cepšanā un apstrādē augstā temperatūrā.
Termiskās noārdīšanās processHPMCvar iedalīt ūdens iztvaikošanu un sākotnējo noārdīšanos zemas temperatūras stadijā, galvenās ķēdes šķelšanos un mazo molekulu iztvaikošanu vidējas temperatūras stadijā un karbonizāciju un koksēšanu augstas temperatūras stadijā. Tā termisko stabilitāti ietekmē tādi faktori kā ķīmiskā struktūra, apkārtējā atmosfēra, sildīšanas ātrums un mitruma saturs. Izpratne par HPMC termiskās noārdīšanās mehānismu ir ļoti svarīga, lai optimizētu tā pielietojumu un uzlabotu materiāla stabilitāti.
Izsūtīšanas laiks: 28-2025. gada marts