Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC)ialah sebatian polimer larut air yang digunakan secara meluas dalam industri pembinaan, perubatan, makanan dan kimia. Ia adalah eter selulosa bukan ionik yang diperoleh melalui pengubahsuaian kimia selulosa semulajadi, dengan sifat penebalan, pengemulsi, penstabilan dan pembentukan filem yang baik. Walau bagaimanapun, dalam keadaan suhu tinggi, HPMC akan mengalami degradasi haba, yang mempunyai kesan penting ke atas kestabilan dan prestasinya dalam aplikasi praktikal.
Proses degradasi haba HPMC
Degradasi haba HPMC terutamanya termasuk perubahan fizikal dan perubahan kimia. Perubahan fizikal terutamanya dimanifestasikan sebagai penyejatan air, peralihan kaca dan pengurangan kelikatan, manakala perubahan kimia melibatkan pemusnahan struktur molekul, pembelahan kumpulan berfungsi dan proses pengkarbonan akhir.
1. Peringkat suhu rendah (100–200°C): penyejatan air dan penguraian awal
Di bawah keadaan suhu rendah (sekitar 100°C), HPMC terutamanya mengalami penyejatan air dan peralihan kaca. Oleh kerana HPMC mengandungi sejumlah air terikat, air ini akan menyejat secara beransur-ansur semasa pemanasan, sekali gus menjejaskan sifat reologinya. Selain itu, kelikatan HPMC juga akan berkurangan dengan peningkatan suhu. Perubahan dalam peringkat ini terutamanya perubahan dalam sifat fizikal, manakala struktur kimia pada asasnya kekal tidak berubah.
Apabila suhu terus meningkat kepada 150-200°C, HPMC mula menjalani tindak balas degradasi kimia awal. Ia terutamanya ditunjukkan dalam penyingkiran kumpulan berfungsi hidroksipropil dan metoksi, mengakibatkan penurunan berat molekul dan perubahan struktur. Pada peringkat ini, HPMC boleh menghasilkan sejumlah kecil molekul meruap kecil, seperti metanol dan propionaldehid.
2. Peringkat suhu sederhana (200-300°C): degradasi rantai utama dan penjanaan molekul kecil
Apabila suhu dinaikkan lagi kepada 200-300°C, kadar penguraian HPMC dipercepatkan dengan ketara. Mekanisme degradasi utama termasuk:
Pemecahan ikatan eter: Rantai utama HPMC disambungkan oleh unit gelang glukosa, dan ikatan eter di dalamnya secara beransur-ansur pecah di bawah suhu tinggi, menyebabkan rantai polimer terurai.
Tindak balas penyahhidratan: Struktur cincin gula HPMC mungkin mengalami tindak balas dehidrasi pada suhu tinggi untuk membentuk perantaraan yang tidak stabil, yang selanjutnya diuraikan kepada produk yang tidak menentu.
Pembebasan molekul kecil yang tidak menentu: Semasa peringkat ini, HPMC membebaskan CO, CO₂, H₂O dan bahan organik molekul kecil, seperti formaldehid, asetaldehid dan akrolein.
Perubahan ini akan menyebabkan berat molekul HPMC turun dengan ketara, kelikatan menurun dengan ketara, dan bahan akan mula menjadi kuning dan juga menghasilkan coking.
3. Peringkat suhu tinggi (300–500°C): pengkarbonan dan coking
Apabila suhu meningkat melebihi 300°C, HPMC memasuki peringkat degradasi yang ganas. Pada masa ini, pemecahan selanjutnya rantai utama dan volatilisasi sebatian molekul kecil membawa kepada kemusnahan lengkap struktur bahan, dan akhirnya membentuk sisa karbon (kok). Reaksi berikut berlaku terutamanya dalam peringkat ini:
Penguraian oksidatif: Pada suhu tinggi, HPMC mengalami tindak balas pengoksidaan untuk menjana CO₂ dan CO, dan pada masa yang sama membentuk sisa karbon.
Tindak balas coking: Sebahagian daripada struktur polimer diubah menjadi produk pembakaran yang tidak lengkap, seperti karbon hitam atau sisa kok.
Produk meruap: Teruskan membebaskan hidrokarbon seperti etilena, propilena dan metana.
Apabila dipanaskan di udara, HPMC boleh terus terbakar, manakala pemanasan tanpa oksigen terutamanya membentuk sisa berkarbonat.
Faktor yang mempengaruhi degradasi haba HPMC
Degradasi haba HPMC dipengaruhi oleh banyak faktor, termasuk:
Struktur kimia: Tahap penggantian kumpulan hidroksipropil dan metoksi dalam HPMC menjejaskan kestabilan habanya. Secara umumnya, HPMC dengan kandungan hidroksipropil yang lebih tinggi mempunyai kestabilan terma yang lebih baik.
Suasana ambien: Di udara, HPMC terdedah kepada degradasi oksidatif, manakala dalam persekitaran gas lengai (seperti nitrogen), kadar degradasi habanya lebih perlahan.
Kadar pemanasan: Pemanasan pantas akan membawa kepada penguraian yang lebih cepat, manakala pemanasan perlahan boleh membantu HPMC mengkarbonatkan secara beransur-ansur dan mengurangkan pengeluaran produk meruap gas.
Kandungan lembapan: HPMC mengandungi sejumlah air terikat. Semasa proses pemanasan, penyejatan lembapan akan menjejaskan suhu peralihan kaca dan proses degradasi.
Kesan aplikasi praktikal kemerosotan haba HPMC
Ciri-ciri degradasi haba HPMC adalah sangat penting dalam bidang aplikasinya. Contohnya:
Industri pembinaan: HPMC digunakan dalam mortar simen dan produk gipsum, dan kestabilannya semasa pembinaan suhu tinggi mesti dipertimbangkan untuk mengelakkan degradasi menjejaskan prestasi ikatan.
Industri farmaseutikal: HPMC ialah agen pelepas terkawal ubat, dan penguraian mesti dielakkan semasa pengeluaran suhu tinggi untuk memastikan kestabilan ubat.
Industri makanan: HPMC ialah bahan tambahan makanan, dan ciri kemerosotan habanya menentukan kebolehgunaannya dalam pembakar dan pemprosesan suhu tinggi.
Proses degradasi haba bagiHPMCboleh dibahagikan kepada penyejatan air dan degradasi awal pada peringkat suhu rendah, belahan rantai utama dan volatilisasi molekul kecil dalam peringkat suhu sederhana, dan pengkarbonan dan coking dalam peringkat suhu tinggi. Kestabilan habanya dipengaruhi oleh faktor seperti struktur kimia, suasana persekitaran, kadar pemanasan dan kandungan lembapan. Memahami mekanisme degradasi terma HPMC amat bernilai untuk mengoptimumkan penggunaannya dan meningkatkan kestabilan bahan.
Masa siaran: Mac-28-2025