คุณสมบัติความหนืดของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส

ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC)ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเป็นอีเทอร์ผสมของเซลลูโลสที่ไม่แตกตัวเป็นไอออนและละลายน้ำได้ มีลักษณะเป็นผงหรือเม็ดสีขาวถึงเหลืองอ่อน ไม่มีรส ไม่มีกลิ่น ไม่เป็นพิษ มีความเสถียรทางเคมี และละลายในน้ำได้เป็นสารละลายที่เนียน ใส และมีความหนืด คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในการใช้งานคือการเพิ่มความหนืดของของเหลว ผลของการเพิ่มความหนืดขึ้นอยู่กับระดับการเกิดพอลิเมอร์ (DP) ของผลิตภัณฑ์ ความเข้มข้นของอีเทอร์เซลลูโลสในสารละลายในน้ำ อัตราการเฉือน และอุณหภูมิของสารละลาย รวมถึงปัจจัยอื่นๆ ด้วย

01

ของเหลวชนิดสารละลาย HPMC ในน้ำ

โดยทั่วไป ความเค้นของของไหลในการไหลแบบเฉือนสามารถแสดงได้ในรูปฟังก์ชันของอัตราการเฉือน ƒ(γ) เท่านั้น ตราบใดที่มันไม่ขึ้นอยู่กับเวลา ขึ้นอยู่กับรูปแบบของ ƒ(γ) ของไหลสามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ได้แก่ ของไหลแบบนิวตัน ของไหลแบบไดลาแทนท์ ของไหลแบบซูโดพลาสติก และของไหลแบบบิงแฮมพลาสติก

เซลลูโลสอีเทอร์แบ่งออกเป็นสองประเภท คือ เซลลูโลสอีเทอร์แบบไม่มีประจุ และเซลลูโลสอีเทอร์แบบมีประจุ สำหรับการศึกษาคุณสมบัติทางรีโอโลยีของเซลลูโลสอีเทอร์ทั้งสองประเภทนี้ SC Naik และคณะ ได้ทำการศึกษาเปรียบเทียบอย่างครอบคลุมและเป็นระบบเกี่ยวกับสารละลายไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสและโซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าทั้งสารละลายเซลลูโลสอีเทอร์แบบไม่มีประจุและแบบมีประจุมีคุณสมบัติเป็นพลาสติกเทียม (pseudoplastic) กล่าวคือ การไหลแบบไม่เป็นไปตามกฎของนิวตัน จะเข้าใกล้ของเหลวแบบนิวตันก็ต่อเมื่อมีความเข้มข้นต่ำมากเท่านั้น คุณสมบัติพลาสติกเทียมของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสมีบทบาทสำคัญในการใช้งาน ตัวอย่างเช่น เมื่อนำไปใช้ในการเคลือบผิว เนื่องจากคุณสมบัติการลดความหนืดเมื่อแรงเฉือนเพิ่มขึ้นของสารละลายในน้ำ ความหนืดของสารละลายจะลดลงเมื่ออัตราการเฉือนเพิ่มขึ้น ซึ่งเอื้อต่อการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของอนุภาคสี และยังช่วยเพิ่มความลื่นไหลของการเคลือบผิวอีกด้วย ผลกระทบนั้นมีขนาดใหญ่มาก ในขณะที่หยุดนิ่ง ความหนืดของสารละลายจะค่อนข้างสูง ซึ่งช่วยป้องกันการตกตะกอนของอนุภาคสีในสารเคลือบได้อย่างมีประสิทธิภาพ

02

วิธีทดสอบความหนืด HPMC

ตัวบ่งชี้สำคัญในการวัดผลการเพิ่มความหนืดของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสคือความหนืดปรากฏของสารละลายในน้ำ วิธีการวัดความหนืดปรากฏโดยทั่วไป ได้แก่ วิธีความหนืดแบบใช้หลอดแคปิลลารี วิธีความหนืดแบบหมุน และวิธีความหนืดแบบลูกบอลตก

โดยที่: คือความหนืดปรากฏ (mPa·s); K คือค่าคงที่ของเครื่องวัดความหนืด; d คือความหนาแน่นของตัวอย่างสารละลายที่อุณหภูมิ 20°C; t คือเวลาที่สารละลายไหลผ่านส่วนบนของเครื่องวัดความหนืดไปยังขีดล่าง (วินาที); คือเวลาที่น้ำมันมาตรฐานไหลผ่านเครื่องวัดความหนืด

อย่างไรก็ตาม วิธีการวัดความหนืดด้วยเครื่องวัดความหนืดแบบหลอดแคปิลลารีนั้นยุ่งยากกว่า เนื่องจากความหนืดของสารหลายชนิดแตกต่างกันเซลลูโลสอีเทอร์การวิเคราะห์สารละลายเหล่านี้ด้วยเครื่องวัดความหนืดแบบหลอดแคปิลลารีทำได้ยาก เนื่องจากสารละลายเหล่านี้มีสารที่ไม่ละลายน้ำในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งจะตรวจพบได้ก็ต่อเมื่อเครื่องวัดความหนืดแบบหลอดแคปิลลารีอุดตันเท่านั้น ดังนั้น ผู้ผลิตส่วนใหญ่จึงใช้เครื่องวัดความหนืดแบบหมุนเพื่อควบคุมคุณภาพของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส เครื่องวัดความหนืดของ Brookfield นิยมใช้ในต่างประเทศ และเครื่องวัดความหนืดของ NDJ ใช้ในประเทศจีน

03

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความหนืดของ HPMC

3.1 ความสัมพันธ์กับระดับการรวมกลุ่ม

เมื่อพารามิเตอร์อื่นๆ คงที่ ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับระดับการเกิดพอลิเมอร์ (DP) หรือน้ำหนักโมเลกุล หรือความยาวของสายโซ่โมเลกุล และจะเพิ่มขึ้นเมื่อระดับการเกิดพอลิเมอร์เพิ่มขึ้น ผลกระทบนี้จะเด่นชัดกว่าในกรณีที่ระดับการเกิดพอลิเมอร์ต่ำกว่าในกรณีที่ระดับการเกิดพอลิเมอร์สูง

3.2 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดและความเข้มข้น

ความหนืดของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสจะเพิ่มขึ้นเมื่อความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ในสารละลายเพิ่มขึ้น แม้การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นเพียงเล็กน้อยก็จะทำให้ความหนืดเปลี่ยนแปลงไปมาก ผลของการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารละลายต่อความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสจะเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นเรื่อยๆ

3.3 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดและอัตราการเฉือน

สารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในน้ำมีคุณสมบัติการลดความหนืดเมื่อถูกแรงเฉือน โดยเตรียมไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสที่มีความหนืดต่างกันเป็นสารละลายในน้ำ 2% และวัดความหนืดที่อัตราแรงเฉือนต่างๆ ผลลัพธ์เป็นดังแสดงในรูป ที่อัตราแรงเฉือนต่ำ ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่ออัตราแรงเฉือนเพิ่มขึ้น ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสที่มีความหนืดสูงกว่าจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด ในขณะที่สารละลายที่มีความหนืดต่ำจะไม่ลดลงอย่างเห็นได้ชัด

3.4 ความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดและอุณหภูมิ

ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสได้รับผลกระทบอย่างมากจากอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความหนืดของสารละลายจะลดลง ดังแสดงในรูป สารละลายนี้ถูกเตรียมในน้ำที่มีความเข้มข้น 2% และวัดการเปลี่ยนแปลงความหนืดเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

3.5 ปัจจัยอื่นๆ ที่มีอิทธิพล

ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในน้ำได้รับผลกระทบจากสารเติมแต่งในสารละลาย ค่า pH ของสารละลาย และการย่อยสลายโดยจุลินทรีย์ โดยปกติ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพความหนืดที่ดีขึ้นหรือลดต้นทุนการใช้งาน จำเป็นต้องเติมสารปรับปรุงคุณสมบัติทางรีโอโลยี เช่น ดินเหนียว ดินเหนียวดัดแปลง ผงพอลิเมอร์ อีเทอร์ของแป้ง และโคพอลิเมอร์อะลิฟาติก ลงในสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในน้ำ และอาจเติมอิเล็กโทรไลต์ เช่น คลอไรด์ โบรไมด์ ฟอสเฟต ไนเตรต เป็นต้น ลงในสารละลายในน้ำได้เช่นกัน สารเติมแต่งเหล่านี้ไม่เพียงแต่ส่งผลต่อคุณสมบัติความหนืดของสารละลายในน้ำเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อคุณสมบัติการใช้งานอื่นๆ ของไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส เช่น การกักเก็บน้ำ ความต้านทานการไหลย้อย เป็นต้น

ความหนืดของสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสในน้ำแทบจะไม่ได้รับผลกระทบจากกรดและด่าง และโดยทั่วไปจะคงที่ในช่วง 3 ถึง 11 สามารถทนต่อกรดอ่อนได้ในระดับหนึ่ง เช่น กรดฟอร์มิก กรดอะซิติก กรดฟอสฟอริก กรดบอริก กรดซิตริก เป็นต้น อย่างไรก็ตาม กรดเข้มข้นจะลดความหนืดลง แต่โซดาไฟ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ น้ำปูนใส ฯลฯ มีผลกระทบต่อความหนืดน้อยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับเซลลูโลสอีเทอร์ชนิดอื่น ๆไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสมีคุณสมบัติในการต้านจุลชีพที่ดี สาเหตุหลักมาจากไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสมีหมู่ไฮโดรโฟบิกที่มีระดับการแทนที่สูงและมีสิ่งกีดขวางทางสเตอริกสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปฏิกิริยาการแทนที่มักไม่สม่ำเสมอ หน่วยแอนไฮโดรกลูโคสที่ไม่ถูกแทนที่จึงถูกจุลินทรีย์กัดกร่อนได้ง่ายที่สุด ส่งผลให้โมเลกุลอีเทอร์ของเซลลูโลสเสื่อมสภาพและเกิดการแตกของโซ่ ส่งผลให้ความหนืดของสารละลายลดลง หากจำเป็นต้องเก็บสารละลายไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสไว้เป็นเวลานาน แนะนำให้เติมสารต้านเชื้อราในปริมาณเล็กน้อย เพื่อไม่ให้ความหนืดเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเลือกใช้สารต้านเชื้อรา สารกันเสีย หรือสารฆ่าเชื้อรา ควรคำนึงถึงความปลอดภัย และเลือกผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์ มีคุณสมบัติคงที่ และไม่มีกลิ่น เช่น สารฆ่าเชื้อรา AMICAL ของ DOW Chem สารกันเสีย CANGUARD64 สารฆ่าเชื้อแบคทีเรีย FUELSAVER และผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่สามารถใช้ทดแทนกันได้