สมบัติความหนืดของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส

ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC)เป็นเซลลูโลสผสมอีเธอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกที่ละลายน้ำได้ ลักษณะเป็นผงสีขาวถึงเหลืองเล็กน้อยหรือวัสดุเม็ด ไม่มีรส ไม่มีกลิ่น ไม่เป็นพิษ เสถียรทางเคมี และละลายในน้ำเพื่อสร้างสารละลายที่เรียบ โปร่งใส และมีความหนืด หนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในการใช้งานคือช่วยเพิ่มความหนืดของของเหลว ผลของการทำให้ข้นขึ้นอยู่กับระดับของการเกิดพอลิเมอไรเซชัน (DP) ของผลิตภัณฑ์ ความเข้มข้นของเซลลูโลสอีเธอร์ในสารละลายน้ำ อัตราการเฉือน และอุณหภูมิของสารละลาย และปัจจัยอื่นๆ

01

ชนิดของเหลวของสารละลาย HPMC

โดยทั่วไป ความเครียดของของไหลในกระแสเฉือนสามารถแสดงเป็นฟังก์ชันของอัตราเฉือน ƒ(γ) เท่านั้น ตราบใดที่ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา โดยขึ้นอยู่กับรูปแบบของ ƒ(γ) ของไหลสามารถแบ่งออกได้เป็นหลายประเภท ได้แก่ ของไหลนิวโทเนียน ของไหลขยายตัว ของไหลเทียมพลาสติก และของไหลพลาสติกบิงแฮม

เซลลูโลสอีเธอร์แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ประเภทหนึ่งคือเซลลูโลสอีเธอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิก และอีกประเภทหนึ่งคือเซลลูโลสอีเธอร์ไอออนิก สำหรับรีโอโลยีของเซลลูโลสอีเธอร์ทั้งสองประเภทนี้ SC Naik และคณะได้ทำการศึกษาเปรียบเทียบอย่างครอบคลุมและเป็นระบบเกี่ยวกับสารละลายไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสและโซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าทั้งสารละลายเซลลูโลสอีเธอร์ที่ไม่ใช่ไอออนิกและสารละลายเซลลูโลสอีเธอร์ไอออนิกมีลักษณะเป็นพลาสติกเทียม การไหลหรือการไหลแบบนิวโทเนียนจะเข้าใกล้ของเหลวแบบนิวโทเนียนในความเข้มข้นที่ต่ำมากเท่านั้น ความเป็นพลาสติกเทียมของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสมีบทบาทสำคัญในการใช้งาน ตัวอย่างเช่น เมื่อนำไปใช้ในสารเคลือบ เนื่องจากลักษณะการบางลงแบบเฉือนของสารละลายในน้ำ ความหนืดของสารละลายจะลดลงเมื่ออัตราเฉือนเพิ่มขึ้น ซึ่งช่วยให้อนุภาคของเม็ดสีกระจายตัวสม่ำเสมอ และยังเพิ่มความลื่นไหลของสารเคลือบอีกด้วย ผลกระทบนั้นมีขนาดใหญ่มาก ในขณะที่อยู่นิ่ง ความหนืดของสารละลายจะค่อนข้างใหญ่ ซึ่งช่วยป้องกันการสะสมของอนุภาคเม็ดสีในสารเคลือบได้อย่างมีประสิทธิภาพ

02

วิธีทดสอบความหนืด HPMC

ตัวบ่งชี้ที่สำคัญในการวัดผลของการทำให้ข้นของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสคือความหนืดที่ปรากฏของสารละลายในน้ำ วิธีการวัดความหนืดที่ปรากฏมักรวมถึงวิธีความหนืดแบบแคปิลลารี วิธีความหนืดแบบหมุน และวิธีการความหนืดแบบลูกบอลตก

โดยที่: คือ ความหนืดที่ปรากฏ, mPa·s; K คือ ค่าคงที่ของเครื่องวัดความหนืด; d คือ ความหนาแน่นของตัวอย่างสารละลายที่อุณหภูมิ 20/20°C; t คือ เวลาที่สารละลายผ่านส่วนบนของเครื่องวัดความหนืดไปจนถึงเครื่องหมายด้านล่าง, s; คือ เวลาที่น้ำมันมาตรฐานไหลผ่านเครื่องวัดความหนืด

อย่างไรก็ตาม วิธีการวัดด้วยเครื่องวัดความหนืดแบบแคปิลลารีนั้นยุ่งยากกว่า ความหนืดของของเหลวหลายชนิดเซลลูโลสอีเธอร์การวิเคราะห์โดยใช้เครื่องวัดความหนืดแบบแคปิลลารีทำได้ยาก เนื่องจากสารละลายเหล่านี้มีสารที่ไม่ละลายน้ำในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งจะตรวจพบได้ก็ต่อเมื่อเครื่องวัดความหนืดแบบแคปิลลารีถูกปิดกั้น ดังนั้น ผู้ผลิตส่วนใหญ่จึงใช้เครื่องวัดความหนืดแบบหมุนเพื่อควบคุมคุณภาพของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส เครื่องวัดความหนืดของ Brookfield มักใช้ในต่างประเทศ และเครื่องวัดความหนืดของ NDJ ใช้ในจีน

03

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความหนืดของ HPMC

3.1 ความสัมพันธ์กับระดับการรวมกลุ่ม

เมื่อพารามิเตอร์อื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสจะแปรผันตามระดับของการโพลีเมอไรเซชัน (DP) หรือน้ำหนักโมเลกุลหรือความยาวของโซ่โมเลกุล และจะเพิ่มขึ้นตามระดับของการโพลีเมอไรเซชันที่เพิ่มขึ้น ผลกระทบนี้จะเด่นชัดกว่าในกรณีที่มีระดับการโพลีเมอไรเซชันต่ำมากกว่าในกรณีที่มีระดับการโพลีเมอไรเซชันสูง

3.2 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดและความเข้มข้น

ความหนืดของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ในสารละลายน้ำที่เพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นเพียงเล็กน้อยก็ทำให้ความหนืดเปลี่ยนแปลงไปมาก เมื่อพิจารณาจากความหนืดปกติของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารละลายต่อความหนืดของสารละลายจะชัดเจนมากขึ้นเรื่อยๆ

3.3 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดและอัตราเฉือน

สารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในน้ำมีคุณสมบัติในการทำให้บางลงด้วยการเฉือน ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสที่มีความหนืดต่างกันจะถูกเตรียมในสารละลายน้ำ 2% และวัดความหนืดที่อัตราเฉือนต่างกันตามลำดับ ผลลัพธ์เป็นดังนี้ ดังแสดงในรูป ที่อัตราเฉือนต่ำ ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่ออัตราเฉือนเพิ่มขึ้น ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสที่มีความหนืดสูงกว่าจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด ในขณะที่สารละลายที่มีความหนืดต่ำจะไม่ลดลงอย่างเห็นได้ชัด

3.4 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดและอุณหภูมิ

ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสได้รับผลกระทบอย่างมากจากอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ความหนืดของสารละลายจะลดลง ดังที่แสดงในภาพ สารละลายจะถูกเตรียมในสารละลายน้ำที่มีความเข้มข้น 2% และวัดการเปลี่ยนแปลงความหนืดตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ

3.5 ปัจจัยที่มีอิทธิพลอื่น ๆ

ความหนืดของสารละลายน้ำของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสยังได้รับผลกระทบจากสารเติมแต่งในสารละลาย ค่า pH ของสารละลาย และการย่อยสลายของจุลินทรีย์ โดยปกติแล้ว เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพความหนืดที่ดีขึ้นหรือลดต้นทุนการใช้งาน จำเป็นต้องเติมสารปรับเปลี่ยนรีโอโลยี เช่น ดินเหนียว ดินเหนียวดัดแปลง ผงโพลิเมอร์ อีเธอร์แป้ง และโคพอลิเมอร์อะลิฟาติก ลงในสารละลายน้ำของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส และยังสามารถเติมอิเล็กโทรไลต์ เช่น คลอไรด์ โบรไมด์ ฟอสเฟต ไนเตรต ฯลฯ ลงในสารละลายน้ำ สารเติมแต่งเหล่านี้จะไม่เพียงแต่ส่งผลต่อคุณสมบัติความหนืดของสารละลายน้ำเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อคุณสมบัติการใช้งานอื่นๆ ของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส เช่น การกักเก็บน้ำ ความต้านทานการหย่อนตัว เป็นต้น

ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในน้ำแทบไม่ได้รับผลกระทบจากกรดและด่าง และโดยทั่วไปจะเสถียรในช่วง 3 ถึง 11 สามารถทนต่อกรดอ่อนได้ในปริมาณหนึ่ง เช่น กรดฟอร์มิก กรดอะซิติก กรดฟอสฟอริก กรดบอริก กรดซิตริก เป็นต้น อย่างไรก็ตาม กรดเข้มข้นจะลดความหนืดลง แต่โซดาไฟ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ น้ำปูนขาว เป็นต้น มีผลน้อยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับอีเทอร์เซลลูโลสชนิดอื่นไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสสารละลายในน้ำมีเสถียรภาพในการต่อต้านจุลินทรีย์ที่ดี เหตุผลหลักคือไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสมีกลุ่มไม่ชอบน้ำที่มีระดับการแทนที่สูงและขัดขวางกลุ่มสเตอริก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปฏิกิริยาการแทนที่มักไม่สม่ำเสมอ หน่วยแอนไฮโดรกลูโคสที่ไม่มีการแทนที่จึงถูกจุลินทรีย์กัดกร่อนได้ง่ายที่สุด ส่งผลให้โมเลกุลอีเธอร์เซลลูโลสสลายตัวและโซ่ขาด ประสิทธิภาพคือความหนืดที่ชัดเจนของสารละลายในน้ำลดลง หากจำเป็นต้องเก็บสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในน้ำเป็นเวลานาน ขอแนะนำให้เติมสารต้านเชื้อราในปริมาณเล็กน้อยเพื่อไม่ให้ความหนืดเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ ในการเลือกสารป้องกันเชื้อรา สารกันเสีย หรือสารป้องกันเชื้อรา คุณควรใส่ใจเรื่องความปลอดภัย และเลือกผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์ มีคุณสมบัติคงที่ และไม่มีกลิ่น เช่น สารป้องกันเชื้อรา AMICAL ของ DOW Chem สารกันเสีย CANGUARD64 สารป้องกันแบคทีเรีย FUELSAVER และผลิตภัณฑ์อื่นๆ สามารถมีบทบาทที่เกี่ยวข้องได้