Хидроксипропил метилцелулоза (ХПМЦ)је водорастворно полимерно једињење које се широко користи у грађевинарству, медицини, прехрамбеној и хемијској индустрији. То је нејонски етар целулозе добијен хемијском модификацијом природне целулозе, са добрим својствима згушњавања, емулгирања, стабилизације и стварања филма. Међутим, у условима високе температуре, ХПМЦ ће бити подвргнут топлотној деградацији, што има важан утицај на његову стабилност и перформансе у практичним применама.
Процес термичке деградације ХПМЦ
Термичка деградација ХПМЦ углавном укључује физичке промене и хемијске промене. Физичке промене се углавном манифестују као испаравање воде, стаклена транзиција и смањење вискозитета, док хемијске промене подразумевају деструкцију молекуларне структуре, цепање функционалних група и коначни процес карбонизације.
1. Фаза ниске температуре (100–200°Ц): испаравање воде и почетно разлагање
У условима ниске температуре (око 100°Ц), ХПМЦ се углавном подвргава испаравању воде и стакластој транзицији. Пошто ХПМЦ садржи одређену количину везане воде, ова вода ће постепено испарити током загревања, што утиче на њена реолошка својства. Поред тога, вискозност ХПМЦ ће се такође смањити са повећањем температуре. Промене у овој фази су углавном промене физичких својстава, док хемијска структура остаје у основи непромењена.
Када температура настави да расте на 150-200°Ц, ХПМЦ почиње да пролази кроз прелиминарне реакције хемијске деградације. Углавном се манифестује у уклањању хидроксипропилних и метокси функционалних група, што резултира смањењем молекулске тежине и структурним променама. У овој фази, ХПМЦ може произвести малу количину малих испарљивих молекула, као што су метанол и пропионалдехид.
2. Средња температурна фаза (200-300°Ц): деградација главног ланца и стварање малих молекула
Када се температура додатно повећа на 200-300°Ц, брзина разлагања ХПМЦ се значајно убрзава. Главни механизми деградације укључују:
Прекид етарске везе: Главни ланац ХПМЦ-а је повезан јединицама глукозног прстена, а етарске везе у њему се постепено распадају под високом температуром, узрокујући распадање полимерног ланца.
Реакција дехидрације: Структура шећерног прстена ХПМЦ-а може бити подвргнута реакцији дехидратације на високој температури да би се формирао нестабилан интермедијер, који се даље разлаже у испарљиве производе.
Ослобађање испарљивих материја малих молекула: Током ове фазе, ХПМЦ ослобађа ЦО, ЦО₂, Х2О и мале молекулске органске материје, као што су формалдехид, ацеталдехид и акролеин.
Ове промене ће довести до значајног пада молекулске тежине ХПМЦ-а, значајног пада вискозитета, а материјал ће почети да жути и чак производи кокс.
3. Фаза високе температуре (300–500°Ц): карбонизација и коксовање
Када температура порасте изнад 300°Ц, ХПМЦ улази у фазу насилне деградације. У овом тренутку, даљи лом главног ланца и испаравање једињења малих молекула доводе до потпуног уништења структуре материјала и коначно формирају угљене остатке (кокс). Следеће реакције се углавном јављају у овој фази:
Оксидативна деградација: На високој температури, ХПМЦ пролази кроз оксидациону реакцију да генерише ЦО₂ и ЦО, и истовремено формира угљеничне остатке.
Реакција коксовања: Део структуре полимера се трансформише у продукте непотпуног сагоревања, као што су чађа или остаци кокса.
Испарљиви производи: Наставите са ослобађањем угљоводоника као што су етилен, пропилен и метан.
Када се загрева на ваздуху, ХПМЦ може даље да сагорева, док загревање у одсуству кисеоника углавном формира карбонизоване остатке.
Фактори који утичу на термичку деградацију ХПМЦ
На термичку деградацију ХПМЦ утичу многи фактори, укључујући:
Хемијска структура: Степен супституције хидроксипропил и метокси група у ХПМЦ утиче на његову термичку стабилност. Уопштено говорећи, ХПМЦ са већим садржајем хидроксипропила има бољу термичку стабилност.
Атмосфера околине: У ваздуху, ХПМЦ је склон оксидативној деградацији, док је у окружењу инертног гаса (као што је азот), његова топлотна деградација спорија.
Брзина загревања: Брзо загревање ће довести до бржег распадања, док споро загревање може помоћи ХПМЦ-у да постепено карбонизује и смањи производњу гасовитих испарљивих производа.
Садржај влаге: ХПМЦ садржи одређену количину везане воде. Током процеса загревања, испаравање влаге ће утицати на температуру преласка стакла и процес деградације.
Практична примена утицаја термичке деградације ХПМЦ
Карактеристике термичке деградације ХПМЦ-а су од великог значаја у области његове примене. на пример:
Грађевинска индустрија: ХПМЦ се користи у цементним малтерима и производима од гипса, а његова стабилност током високотемпературне конструкције мора се узети у обзир како би се избегла деградација која утиче на перформансе везивања.
Фармацеутска индустрија: ХПМЦ је средство за ослобађање контролисано леком, а разлагање се мора избегавати током производње на високим температурама како би се обезбедила стабилност лека.
Прехрамбена индустрија: ХПМЦ је адитив за храну, а његове карактеристике термичке деградације одређују његову примену у печењу и преради на високим температурама.
Процес термичке деградацијеХПМЦмогу се поделити на испаравање воде и прелиминарну деградацију у фази ниске температуре, цепање главног ланца и испаривање малих молекула у фази средње температуре и карбонизацију и коксовање у фази високе температуре. На његову термичку стабилност утичу фактори као што су хемијска структура, амбијентална атмосфера, брзина загревања и садржај влаге. Разумевање механизма термичке деградације ХПМЦ-а је од велике вредности за оптимизацију његове примене и побољшање стабилности материјала.
Време поста: 28.03.2025