คุณสมบัติของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส

ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเป็นเซลลูโลสผสมอีเทอร์ชนิดไม่มีประจุ แตกต่างจากเมทิลคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสผสมอีเทอร์ที่มีประจุตรงที่ไม่ทำปฏิกิริยากับโลหะหนัก เนื่องจากอัตราส่วนของหมู่เมทอกซิลและหมู่ไฮดรอกซีโพรพิลในไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสแตกต่างกัน รวมถึงความหนืดที่แตกต่างกัน จึงมีหลายชนิดที่มีคุณสมบัติแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ชนิดที่มีปริมาณเมทอกซิลสูงและปริมาณไฮดรอกซีโพรพิลต่ำจะมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับเมทิลเซลลูโลส ในขณะที่ชนิดที่มีปริมาณเมทอกซิลต่ำและปริมาณไฮดรอกซีโพรพิลสูงจะมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส อย่างไรก็ตาม ในแต่ละชนิด แม้จะมีปริมาณหมู่ไฮดรอกซีโพรพิลหรือหมู่เมทอกซิลเพียงเล็กน้อย แต่ก็มีความแตกต่างกันอย่างมากในเรื่องความสามารถในการละลายในตัวทำละลายอินทรีย์หรืออุณหภูมิการตกตะกอนในสารละลายน้ำ

(1) คุณสมบัติการละลายของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส
① ความสามารถในการละลายของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในน้ำ ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเป็นเมทิลเซลลูโลสชนิดหนึ่งที่ถูกดัดแปลงด้วยโพรพิลีนออกไซด์ (เมทอกซีโพรพิลีน) ดังนั้นจึงยังคงมีคุณสมบัติเช่นเดียวกับเมทิลเซลลูโลส เซลลูโลสมีลักษณะคล้ายคลึงกันคือละลายได้ในน้ำเย็นและไม่ละลายในน้ำร้อน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากหมู่ไฮดรอกซีโพรพิลที่ถูกดัดแปลง อุณหภูมิการเกิดเจลในน้ำร้อนจึงสูงกว่าเมทิลเซลลูโลสมาก ตัวอย่างเช่น ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในน้ำที่มีปริมาณเมทอกซี 2% (ระดับการแทนที่ DS=0.73) และปริมาณไฮดรอกซีโพรพิล MS=0.46 คือ 500 mpa·s ที่ 20°C และอุณหภูมิการเกิดเจลสามารถสูงถึงเกือบ 100°C ในขณะที่เมทิลเซลลูโลสที่อุณหภูมิเดียวกันอยู่ที่ประมาณ 55°C เท่านั้น ส่วนความสามารถในการละลายในน้ำก็ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างมากเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสชนิดผงละเอียด (มีลักษณะเป็นเม็ดขนาด 0.2~0.5 มม. ที่อุณหภูมิ 20°C โดยมีความหนืดของสารละลายในน้ำ 4% เท่ากับ 2pa•s) สามารถหาซื้อได้ที่อุณหภูมิห้อง และละลายน้ำได้ง่ายโดยไม่ต้องทำให้เย็น

② ความสามารถในการละลายของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในตัวทำละลายอินทรีย์ ความสามารถในการละลายของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในตัวทำละลายอินทรีย์นั้นดีกว่าเมทิลเซลลูโลส สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีค่ามากกว่า 2.1 ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสที่มีความหนืดสูงซึ่งประกอบด้วยไฮดรอกซีโพรพิล MS=1.5~1.8 และเมทอกซี DS=0.2~1.0 โดยมีระดับการแทนที่รวมมากกว่า 1.8 จะละลายได้ในสารละลายเมทานอลและเอทานอลปราศจากน้ำในระดับปานกลาง และละลายได้ทั้งในน้ำและในเทอร์โมพลาสติก นอกจากนี้ยังละลายได้ในไฮโดรคาร์บอนที่มีคลอรีน เช่น เมทิลีนคลอไรด์และคลอโรฟอร์ม และตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น อะซิโตน ไอโซโพรพานอล และไดอะซิโตนแอลกอฮอล์ ความสามารถในการละลายในตัวทำละลายอินทรีย์นั้นดีกว่าการละลายในน้ำ

(2) ปัจจัยที่มีผลต่อความหนืดของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส การหาค่าความหนืดมาตรฐานของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสจะเหมือนกับเซลลูโลสอีเทอร์อื่นๆ โดยวัดที่อุณหภูมิ 20°C ด้วยสารละลายในน้ำ 2% เป็นสารมาตรฐาน ความหนืดของผลิตภัณฑ์จะเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้น สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่างกันที่ความเข้มข้นเดียวกัน ผลิตภัณฑ์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลมากกว่าจะมีความหนืดสูงกว่า ความสัมพันธ์กับอุณหภูมิจะคล้ายกับของเมทิลเซลลูโลส เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความหนืดจะเริ่มลดลง แต่เมื่อถึงอุณหภูมิที่กำหนด ความหนืดจะเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันและเกิดการก่อตัวเป็นเจล อุณหภูมิการเกิดเจลของผลิตภัณฑ์ที่มีความหนืดต่ำจะสูงกว่า จุดเกิดเจลไม่เพียงแต่สัมพันธ์กับความหนืดของอีเทอร์เท่านั้น แต่ยังสัมพันธ์กับอัตราส่วนองค์ประกอบของหมู่เมทอกซิลและหมู่ไฮดรอกซีโพรพิลในอีเทอร์และขนาดของระดับการแทนที่ทั้งหมดด้วย ควรทราบว่าไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสก็เป็นสารที่มีคุณสมบัติคล้ายพลาสติกเช่นกัน และสารละลายของมันมีความเสถียรที่อุณหภูมิห้องโดยไม่มีการลดลงของความหนืด ยกเว้นความเป็นไปได้ที่จะเกิดการย่อยสลายโดยเอนไซม์

(3) ความทนทานต่อเกลือของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส เนื่องจากไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเป็นอีเทอร์ที่ไม่แตกตัวเป็นไอออน จึงไม่แตกตัวเป็นไอออนในตัวกลางน้ำ ต่างจากอีเทอร์เซลลูโลสที่แตกตัวเป็นไอออนอื่นๆ เช่น คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับไอออนโลหะหนักและตกตะกอนในสารละลาย เกลือทั่วไป เช่น คลอไรด์ โบรไมด์ ฟอสเฟต ไนเตรต เป็นต้น จะไม่ตกตะกอนเมื่อเติมลงในสารละลายในน้ำ อย่างไรก็ตาม การเติมเกลือมีผลต่ออุณหภูมิการตกตะกอนของสารละลายในน้ำ เมื่อความเข้มข้นของเกลือเพิ่มขึ้น อุณหภูมิการเกิดเจลจะลดลง เมื่อความเข้มข้นของเกลือต่ำกว่าจุดตกตะกอน ความหนืดของสารละลายมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น ดังนั้น การเติมเกลือในปริมาณที่เหมาะสม จะช่วยให้ได้ผลลัพธ์ในการเพิ่มความหนืดอย่างประหยัดมากขึ้นในการใช้งาน ดังนั้น ในบางการใช้งาน การใช้ส่วนผสมของเซลลูโลสอีเทอร์และเกลือจึงอาจให้ผลดีกว่าการใช้สารละลายอีเทอร์ที่มีความเข้มข้นสูงกว่า เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ในการทำให้ข้นขึ้น

(4) ความต้านทานต่อกรดและด่างของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสโดยทั่วไปมีความเสถียรต่อกรดและด่าง และไม่ได้รับผลกระทบในช่วง pH 2~12 สามารถทนต่อกรดอ่อนได้ในระดับหนึ่ง เช่น กรดฟอร์มิก กรดอะซิติก กรดซิตริก กรดซัคซินิก กรดฟอสฟอริก กรดบอริก เป็นต้น แต่กรดเข้มข้นจะมีผลทำให้ความหนืดลดลง ด่าง เช่น โซดาไฟ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ และน้ำปูนใส ไม่มีผลกระทบต่อไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส แต่อาจทำให้ความหนืดของสารละลายเพิ่มขึ้นเล็กน้อย แล้วค่อยๆ ลดลง

(5) ความเข้ากันได้ของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส สารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสสามารถผสมกับสารประกอบโพลีเมอร์ที่ละลายน้ำได้ เพื่อให้ได้สารละลายที่สม่ำเสมอและโปร่งใส มีความหนืดสูงขึ้น สารประกอบโพลีเมอร์เหล่านี้ได้แก่ โพลีเอทิลีนไกลคอล โพลีไวนิลอะซิเตต โพลีซิลิโคน โพลีเมทิลไวนิลไซลอกเซน ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส และเมทิลเซลลูโลส สารประกอบโมเลกุลสูงจากธรรมชาติ เช่น กัมอาราบิก กัมถั่วโลคัส กัมคารายา เป็นต้น ก็มีความเข้ากันได้ดีกับสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเช่นกัน นอกจากนี้ ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสยังสามารถผสมกับแมนนิทอลเอสเทอร์หรือซอร์บิทอลเอสเทอร์ของกรดสเตียริกหรือกรดปาล์มิติก และยังสามารถผสมกับกลีเซอรีน ซอร์บิทอล และแมนนิทอลได้อีกด้วย โดยสารประกอบเหล่านี้สามารถใช้เป็นสารเพิ่มความยืดหยุ่นของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสได้

(6) เซลลูโลสอีเทอร์ที่ละลายน้ำได้แต่ไม่ละลายน้ำของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสสามารถทำการเชื่อมโยงข้ามพื้นผิวกับอัลดีไฮด์ได้ ดังนั้นอีเทอร์ที่ละลายน้ำได้เหล่านี้จะตกตะกอนในสารละลายและไม่ละลายในน้ำ อัลดีไฮด์ที่ทำให้ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสไม่ละลายน้ำ ได้แก่ ฟอร์มาลดีไฮด์ ไกลออกซาล ซัคซินิกอัลดีไฮด์ อะดิพัลดีไฮด์ เป็นต้น เมื่อใช้ฟอร์มาลดีไฮด์ ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษกับค่า pH ของสารละลาย ซึ่งไกลออกซาลทำปฏิกิริยาได้เร็วกว่า ดังนั้นไกลออกซาลจึงนิยมใช้เป็นสารเชื่อมโยงข้ามในกระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรม ปริมาณของสารเชื่อมโยงข้ามชนิดนี้ในสารละลายคือ 0.2%~10% ของมวลของอีเทอร์ โดยควรใช้ 7%~10% ตัวอย่างเช่น ไกลออกซาล 3.3%~6% ถือว่าเหมาะสมที่สุด โดยทั่วไป อุณหภูมิในการบำบัดอยู่ที่ 0-30 องศาเซลเซียส และระยะเวลาอยู่ที่ 1-120 นาที ปฏิกิริยาการเชื่อมโยงต้องดำเนินการภายใต้สภาวะที่เป็นกรด โดยทั่วไปแล้ว จะเติมกรดแก่ชนิดอนินทรีย์หรือกรดคาร์บอกซิลิกชนิดอินทรีย์ลงในสารละลายก่อน เพื่อปรับค่า pH ของสารละลายให้อยู่ระหว่าง 2-6 โดยควรอยู่ระหว่าง 4-6 จากนั้นจึงเติมอัลดีไฮด์เพื่อดำเนินการปฏิกิริยาการเชื่อมโยง กรดที่ใช้ได้แก่ กรดไฮโดรคลอริก กรดซัลฟิวริก กรดฟอสฟอริก กรดฟอร์มิก กรดอะซิติก กรดไฮดรอกซีอะซิติก กรดซัคซินิก หรือกรดซิตริก เป็นต้น โดยแนะนำให้ใช้กรดฟอร์มิกหรือกรดอะซิติก และกรดฟอร์มิกเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด สามารถเติมกรดและอัลดีไฮด์พร้อมกันได้ เพื่อให้สารละลายเกิดปฏิกิริยาการเชื่อมโยงภายในช่วง pH ที่ต้องการ ปฏิกิริยานี้มักใช้ในขั้นตอนการบำบัดขั้นสุดท้ายในกระบวนการเตรียมเซลลูโลสอีเทอร์ หลังจากที่เซลลูโลสอีเทอร์ไม่ละลายแล้ว ก็จะสะดวกในการนำไปใช้

ใช้น้ำอุณหภูมิ 20-25℃ ในการล้างและทำให้บริสุทธิ์ ขณะใช้งาน สามารถเติมสารอัลคาไลน์ลงในสารละลายของผลิตภัณฑ์เพื่อปรับค่า pH ของสารละลายให้เป็นด่าง และผลิตภัณฑ์จะละลายในสารละลายได้เร็วขึ้น วิธีนี้ยังสามารถใช้ได้กับการปรับสภาพฟิล์มหลังจากที่สารละลายเซลลูโลสอีเทอร์ถูกผลิตเป็นฟิล์ม เพื่อให้ได้ฟิล์มที่ไม่ละลายน้ำ

(7) ความต้านทานต่อเอนไซม์ของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส ในทางทฤษฎี อนุพันธ์ของเซลลูโลส เช่น หมู่แทนที่ที่ยึดติดแน่นบนหมู่แอนไฮโดรกลูโคสแต่ละหมู่ จะไม่ไวต่อการกัดกร่อนจากจุลินทรีย์ แต่ในความเป็นจริง เมื่อค่าการแทนที่ของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปเกิน 1 มันก็จะถูกย่อยสลายโดยเอนไซม์เช่นกัน ซึ่งหมายความว่าระดับการแทนที่ของแต่ละหมู่บนสายโซ่เซลลูโลสไม่สม่ำเสมอเพียงพอ และจุลินทรีย์สามารถกัดกร่อนหมู่แอนไฮโดรกลูโคสที่ไม่มีการแทนที่ได้ น้ำตาลจะเกิดขึ้นและถูกดูดซึมเป็นสารอาหารสำหรับจุลินทรีย์ ดังนั้น หากระดับการแทนที่อีเทอร์ริฟิเคชันของเซลลูโลสเพิ่มขึ้น ความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากเอนไซม์ของเซลลูโลสอีเทอร์ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย จากรายงานพบว่า ภายใต้สภาวะควบคุม ผลการไฮโดรไลซิสของเอนไซม์ ความหนืดที่เหลืออยู่ของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (DS=1.9) คือ 13.2% เมทิลเซลลูโลส (DS=1.83) คือ 7.3% เมทิลเซลลูโลส (DS=1.66) คือ 3.8% และไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสคือ 1.7% จะเห็นได้ว่าไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสมีความสามารถในการต้านทานเอนไซม์สูง ดังนั้น ด้วยคุณสมบัติการต้านทานเอนไซม์ที่ดีเยี่ยมของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส ผนวกกับคุณสมบัติการกระจายตัว การเพิ่มความหนืด และการขึ้นรูปฟิล์มที่ดี จึงถูกนำไปใช้ในสารเคลือบอิมัลชันน้ำ เป็นต้น และโดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องเติมสารกันบูด อย่างไรก็ตาม สำหรับการเก็บรักษาสารละลายในระยะยาวหรือการปนเปื้อนจากภายนอกที่อาจเกิดขึ้น สามารถเติมสารกันบูดได้เพื่อเป็นการป้องกัน และสามารถเลือกใช้สารกันบูดได้ตามความต้องการสุดท้ายของสารละลาย ฟีนิลเมอร์คิวริกอะซิเตตและแมงกานีสฟลูออโรซิลิเคตเป็นสารกันบูดที่มีประสิทธิภาพ แต่ทั้งหมดล้วนมีพิษ จึงต้องระมัดระวังในการใช้งาน โดยทั่วไป สามารถเติมฟีนิลเมอร์คิวริกอะซิเตต 1-5 มิลลิกรัมต่อลิตรของปริมาณสารละลายได้

(8) ประสิทธิภาพของฟิล์มไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสมีคุณสมบัติในการขึ้นรูปฟิล์มที่ดีเยี่ยม เมื่อนำสารละลายในน้ำหรือสารละลายตัวทำละลายอินทรีย์มาเคลือบลงบนแผ่นกระจก จะได้ฟิล์มสีใส แข็งแรง และยืดหยุ่นได้ดีหลังการแห้ง มีความต้านทานต่อความชื้นได้ดี และคงสภาพเป็นของแข็งที่อุณหภูมิสูง หากเติมพลาสติไซเซอร์ที่ดูดความชื้นได้ จะช่วยเพิ่มการยืดตัวและความยืดหยุ่นได้ ในแง่ของการเพิ่มความยืดหยุ่น พลาสติไซเซอร์เช่นกลีเซอรีนและซอร์บิทอลนั้นเหมาะสมที่สุด โดยทั่วไปความเข้มข้นของสารละลายจะอยู่ที่ 2%~3% และปริมาณของพลาสติไซเซอร์จะอยู่ที่ 10%~20% ของเซลลูโลสอีเทอร์ หากปริมาณของพลาสติไซเซอร์สูงเกินไป จะเกิดการหดตัวจากการขาดน้ำของคอลลอยด์ที่ความชื้นสูง ความแข็งแรงดึงของฟิล์มที่เติมพลาสติไซเซอร์จะมากกว่าฟิล์มที่ไม่มีพลาสติไซเซอร์มาก และจะเพิ่มขึ้นตามปริมาณที่เติม สำหรับความสามารถในการดูดความชื้นของฟิล์มนั้น ก็จะเพิ่มขึ้นตามปริมาณของพลาสติไซเซอร์เช่นกัน