Гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) — это разновидность неионогенного смешанного эфира целлюлозы, в отличие от ионогенного смешанного эфира метилкарбоксиметилцеллюлозы, которая не вступает в реакцию с тяжелыми металлами. Наличие кислородных радикалов обусловлено различным содержанием гидроксипропилметилцеллюлозы, а также разной пропорцией гидроксипропильных групп и вязкостью, что приводит к появлению различных разновидностей по своим характеристикам. Например, разновидности с высоким и низким содержанием метоксильных групп близки по своим характеристикам к разновидностям с низким и высоким содержанием метоксильных групп, а разновидности с высоким содержанием метоксильных групп близки к разновидностям с гидроксипропилметилцеллюлозой. Однако в каждой разновидности, несмотря на небольшое содержание гидроксипропильных или метоксильных групп, наблюдается значительная разница в растворимости в органических растворителях или температуре флокуляции в водном растворе.
1. Растворимость гидроксипропилметилцеллюлозы
Гидроксипропилметилцеллюлоза в водорастворимости фактически представляет собой модифицированную метилцеллюлозу с оксидом пропилена (метилоксипропильным кольцом), поэтому она обладает схожими с метилцеллюлозой характеристиками растворимости в холодной воде и нерастворимости в горячей воде. Однако температура гелеобразования модифицированной гидроксипропилцеллюлозы значительно выше, чем у метилцеллюлозы в горячей воде. Например, вязкость водного раствора гидроксипропилметилцеллюлозы с 2% содержанием метоксигруппы DS=0,73 и содержанием гидроксипропилгруппы MS=0,46 составляет 500 МПа при 20℃. Температура гелеобразования продукта S близка к 100℃, в то время как у метилцеллюлозы при той же температуре она составляет всего около 55℃. Что касается его растворимости в воде, она также значительно улучшилась, например, после измельчения гидроксипропилметилцеллюлозы (форма зерен 0,2–0,5 мм при 20℃, вязкость 4% водного раствора 2 пА·с) продукты легко растворяются в воде без охлаждения при комнатной температуре.
(2) Растворимость гидроксипропилметилцеллюлозы в органических растворителях также лучше, чем у метилцеллюлозы, поскольку метилцеллюлоза требует степени замещения метоксигруппы 2,1 или более, и содержит гидроксипропил MS=1,5~1,8 и метокси DS=0,2~1,0. Высоковязкая гидроксипропилметилцеллюлоза со степенью замещения выше 1,8 растворима в безводных растворах метанола и этанола, обладает термопластичностью и водорастворимостью. Она также растворима в хлорированных углеводородах, таких как дихлорметан и трихлорметан, и органических растворителях, таких как ацетон, изопропиловый спирт и диацетоновый спирт. Ее растворимость в органических растворителях превосходит водорастворимость.
2. Вязкость гидроксипропилметилцеллюлозы и влияющие факторы.
Вязкость гидроксипропилметилцеллюлозы определяется стандартным методом, а вязкость других эфиров целлюлозы — 2%-ным водным раствором при 20℃. Вязкость одного и того же продукта увеличивается с повышением концентрации, при этом продукты с разной молекулярной массой имеют более высокую вязкость. Зависимость вязкости от температуры аналогична зависимости для метилцеллюлозы. При повышении температуры вязкость начинает снижаться, но при достижении определенной температуры резко возрастает, и происходит гелеобразование. Температура гелеобразования продуктов с низкой вязкостью выше, чем у продуктов с высокой вязкостью. Уровень точки гелеобразования зависит не только от высокой и низкой вязкости эфира, но и от соотношения метокси- и гидроксипропильных групп в эфире, а также от общей степени замещения. Следует отметить, что гидроксипропилметилцеллюлоза также является псевдопластичной; ее раствор стабилен при хранении при комнатной температуре и не демонстрирует снижения вязкости, за исключением возможной ферментативной деградации.
3. Кислото- и щелочестойкость гидроксипропилметилцеллюлозы
Кислотно-щелочная среда на основе гидроксипропилметилцеллюлозы, как правило, стабильна, не подвержена воздействию в диапазоне pH 2–12 и может выдерживать определенное количество слабых кислот, таких как муравьиная, уксусная, лимонная, янтарная, фосфорная, борная и др. Однако концентрированные кислоты снижают ее вязкость. Щелочи, такие как каустическая сода, каустическая сода калия и известковый раствор, не оказывают на нее влияния, но эффект незначительного повышения вязкости раствора будет постепенно уменьшаться в дальнейшем.
4. гидроксипропилметилцеллюлозу можно смешивать.
Раствор гидроксипропилметилцеллюлозы можно смешивать с водорастворимыми полимерными соединениями, получая однородный прозрачный раствор с высокой вязкостью. К таким высокомолекулярным соединениям относятся полиэтиленгликоль, поливинилацетат, полисиликон, полиметилвинилсилоксан, гидроксиэтилцеллюлоза и метилцеллюлоза и др. Природные полимерные соединения, такие как гуммиарабик, камедь рожкового дерева, камедь колючего дерева и др., также хорошо смешиваются с их растворами. Гидроксипропилметилцеллюлозу также можно смешивать со стеариновой или пальмитиновой кислотой, эфиром маннита или эфиром сорбита, а также с глицерином, сорбитом и маннитом; эти соединения можно использовать в качестве пластификатора гидроксипропилметилцеллюлозы.
5. гидроксипропилметилцеллюлоза, нерастворимая в воде, растворимая в воде.
Гидроксипропилметилцеллюлоза, нерастворимая в воде, и эфир целлюлозы могут подвергаться поверхностной сшивке с альдегидами, в результате чего эти водорастворимые эфиры выпадают в осадок в растворе и становятся нерастворимыми в воде. При использовании гидроксипропилметилцеллюлозы необходимо уделять особое внимание значению pH раствора, поскольку реакция с глиоксалем протекает быстрее, поэтому в промышленном производстве в качестве сшивающего агента обычно используется глиоксаль. Дозировка этого сшивающего агента в растворе составляет 0,2%–10% от массы эфира, оптимальное значение – 7%–10%, наиболее подходящим является использование глиоксаля в концентрации 3,3%–6%. Обычно температура обработки составляет 0–30℃, время – 1–120 мин. Реакцию сшивания необходимо проводить в кислой среде. Как правило, для регулирования pH раствора до значения около 2–6, предпочтительно в диапазоне 4–6, в раствор добавляют сильную неорганическую кислоту или органическую карбоновую кислоту, после чего добавляют альдегиды для реакции сшивания. В качестве кислот используются соляная, серная, фосфорная, муравьиная, уксусная, гидроксиуксусная, янтарная или лимонная кислоты, при этом муравьиная или уксусная кислоты являются наилучшими, а муравьиная кислота – наиболее подходящей. Кислоты и альдегиды также могут добавляться одновременно, что позволяет осуществлять сшивание раствора в желаемом диапазоне pH. Эта реакция часто используется на заключительном этапе получения целлюлозного эфира, поскольку целлюлозный эфир не растворяется, и его легко промывать и очищать водой температурой 20–25 ℃. При использовании продукта в раствор можно добавить щелочные вещества для регулирования pH, что способствует быстрому растворению продукта в растворе. Этот метод также можно использовать, когда для изготовления пленки используется раствор эфира целлюлозы, а затем пленка обрабатывается для получения нерастворимой пленки.
6, гидроксипропилметилцеллюлоза антифермент
Теоретически, устойчивость производных гидроксипропилметилцеллюлозы к ферментативному расщеплению заключается в том, что каждая ангидроглюкозная группа, подобно другой, представляет собой прочное сочетание замещающих групп, что делает их менее восприимчивыми к инфекции и эрозии микроорганизмами. Однако на практике в готовом продукте степень замещения превышает 1, что также приводит к ферментативной деградации. Это свидетельствует о неоднородности степени замещения каждой группы в цепи целлюлозы. Микроорганизмы могут расщеплять близкие к незамещенным дегидратированные глюкозные группы, образуя сахара, которые могут усваиваться микроорганизмами в качестве пищи. Следовательно, если степень этерификации целлюлозы увеличивается, устойчивость эфира целлюлозы к ферментативному расщеплению повышается. Сообщается, что в контролируемых условиях остаточная вязкость гидроксипропилметилцеллюлозы (DS=1,9), метилцеллюлозы (DS=1,83), метилцеллюлозы (DS=1,66) и гидроксиэтилцеллюлозы (1,7%) составляла 13,2%, 7,3%, 3,8% и 1,7% соответственно. Гидроксипропилметилцеллюлоза обладает выраженными антиферментными свойствами. Благодаря своим превосходным антиферментным свойствам, а также хорошей дисперсии, загущающим и пленкообразующим свойствам, гидроксипропилметилцеллюлоза, применяемая в эмульсионных покрытиях и т.д., обычно не требует добавления консервантов. Однако, чтобы предотвратить длительное хранение раствора или возможное загрязнение извне, можно добавлять консерванты, выбор которых определяется в зависимости от конечных требований к раствору. Фенилртутный ацетат и фторсиликат марганца являются эффективными консервантами, но они токсичны и требуют осторожного применения. Обычно на каждый литр раствора можно добавлять 1–5 мг фенилртутного ацетата.
7. Характеристики мембраны из гидроксипропилметилцеллюлозы.
Пленка из гидроксипропилметилцеллюлозы обладает превосходными характеристиками: ее водный раствор или раствор в органическом растворителе, нанесенный на стеклянную пластину, после высыхания становится бесцветной, прозрачной и прочной. Она обладает хорошей влагостойкостью и сохраняет твердость при высоких температурах. Добавление гигроскопичного пластификатора может повысить ее удлинение и гибкость, улучшая изгиб; наиболее подходящими являются глицерин, сорбит и другие пластификаторы. Обычно концентрация раствора составляет 2–3%, дозировка пластификатора – 10–20% от целлюлозного эфира. При чрезмерном содержании пластификатора в условиях высокой влажности может наблюдаться усадка из-за коллоидной дегидратации. Прочность на разрыв пленки с добавлением пластификатора значительно выше, чем без него, и увеличивается с увеличением количества добавленного пластификатора, как и гигроскопичность пленки, которая также увеличивается с увеличением количества пластификатора.
Дата публикации: 08.09.2022