ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส (HPMC)เป็นสารประกอบโพลีเมอร์ที่ละลายน้ำได้ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมก่อสร้าง ยา อาหาร และเคมี เป็นอีเธอร์เซลลูโลสที่ไม่ใช่ไอออนิกซึ่งได้จากการดัดแปลงทางเคมีของเซลลูโลสธรรมชาติ มีคุณสมบัติในการทำให้ข้น อิมัลชัน การทำให้คงตัว และการสร้างฟิล์มที่ดี อย่างไรก็ตาม ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง HPMC จะเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อน ซึ่งส่งผลกระทบอย่างสำคัญต่อเสถียรภาพและประสิทธิภาพในการใช้งานจริง
กระบวนการย่อยสลายด้วยความร้อนของ HPMC
การเสื่อมสภาพเนื่องจากความร้อนของ HPMC ประกอบไปด้วยการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและการเปลี่ยนแปลงทางเคมีเป็นหลัก การเปลี่ยนแปลงทางกายภาพส่วนใหญ่แสดงออกมาในรูปของการระเหยของน้ำ การเปลี่ยนผ่านของแก้ว และการลดความหนืด ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงทางเคมีเกี่ยวข้องกับการทำลายโครงสร้างโมเลกุล การแยกกลุ่มฟังก์ชัน และกระบวนการคาร์บอนไนเซชันขั้นสุดท้าย
1. ระยะอุณหภูมิต่ำ (100–200°C): การระเหยของน้ำและการสลายตัวเริ่มต้น
ภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำ (ประมาณ 100°C) HPMC จะเกิดการระเหยของน้ำและการเปลี่ยนสภาพเป็นแก้วเป็นหลัก เนื่องจาก HPMC มีน้ำที่จับอยู่จำนวนหนึ่ง น้ำดังกล่าวจะค่อยๆ ระเหยในระหว่างการให้ความร้อน ส่งผลให้คุณสมบัติการไหลของของเหลวได้รับผลกระทบ นอกจากนี้ ความหนืดของ HPMC จะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นด้วย การเปลี่ยนแปลงในขั้นตอนนี้ส่วนใหญ่เป็นการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพ ในขณะที่โครงสร้างทางเคมียังคงไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก
เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเรื่อยๆ จนถึง 150-200°C HPMC จะเริ่มเกิดปฏิกิริยาย่อยสลายทางเคมีเบื้องต้น ซึ่งส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากการกำจัดหมู่ฟังก์ชันไฮดรอกซีโพรพิลและเมทอกซี ส่งผลให้มวลโมเลกุลลดลงและโครงสร้างเปลี่ยนแปลงไป ในระยะนี้ HPMC อาจผลิตโมเลกุลระเหยขนาดเล็กได้ในปริมาณเล็กน้อย เช่น เมทานอลและโพรพิโอนัลดีไฮด์
2. ขั้นตอนอุณหภูมิปานกลาง (200-300°C): การย่อยสลายของโซ่หลักและการสร้างโมเลกุลขนาดเล็ก
เมื่อเพิ่มอุณหภูมิเป็น 200-300°C อัตราการสลายตัวของ HPMC จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก กลไกการย่อยสลายหลักๆ ได้แก่:
การแตกของพันธะอีเธอร์: โซ่หลักของ HPMC เชื่อมต่อกันด้วยหน่วยวงแหวนกลูโคส และพันธะอีเธอร์ภายในจะแตกออกอย่างค่อยเป็นค่อยไปภายใต้อุณหภูมิสูง ทำให้โซ่โพลีเมอร์สลายตัว
ปฏิกิริยาการคายน้ำ: โครงสร้างวงแหวนน้ำตาลของ HPMC อาจเกิดปฏิกิริยาการคายน้ำที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้างสารตัวกลางที่ไม่เสถียร ซึ่งจะถูกสลายตัวต่อไปเป็นผลิตภัณฑ์ระเหยได้
การปลดปล่อยสารระเหยที่มีโมเลกุลขนาดเล็ก: ในระยะนี้ HPMC จะปลดปล่อย CO, CO₂, H₂O และสารอินทรีย์ที่มีโมเลกุลขนาดเล็ก เช่น ฟอร์มาลดีไฮด์ อะซีตัลดีไฮด์ และอะโครลีน
การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะทำให้มวลโมเลกุลของ HPMC ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ความหนืดลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และวัสดุจะเริ่มเปลี่ยนเป็นสีเหลืองและอาจเกิดการโค้กได้
3. ระยะอุณหภูมิสูง (300–500°C): การคาร์บอไนเซชันและการโค้ก
เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นกว่า 300°C HPMC จะเข้าสู่ระยะย่อยสลายอย่างรุนแรง ในเวลานี้ การแตกหักเพิ่มเติมของห่วงโซ่หลักและการระเหยของสารประกอบโมเลกุลขนาดเล็กทำให้โครงสร้างวัสดุถูกทำลายจนหมดสิ้น และในที่สุดก็ก่อตัวเป็นสารตกค้างที่เป็นคาร์บอน (โค้ก) ปฏิกิริยาต่อไปนี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในระยะนี้:
การสลายตัวแบบออกซิเดชัน: ที่อุณหภูมิสูง HPMC จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเพื่อสร้าง CO₂ และ CO และในเวลาเดียวกันก็สร้างสารตกค้างที่เป็นคาร์บอน
ปฏิกิริยาโค้ก: ส่วนหนึ่งของโครงสร้างพอลิเมอร์จะถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ เช่น คาร์บอนแบล็กหรือเศษโค้ก
ผลิตภัณฑ์ระเหยได้: ปล่อยไฮโดรคาร์บอน เช่น เอทิลีน โพรพิลีน และมีเทน อย่างต่อเนื่อง
เมื่อได้รับความร้อนในอากาศ HPMC อาจเผาไหม้ได้มากขึ้น ในขณะที่การให้ความร้อนโดยที่ไม่มีออกซิเจน ส่วนใหญ่จะทำให้เกิดสารตกค้างที่เป็นคาร์บอน
ปัจจัยที่มีผลต่อการเสื่อมสภาพจากความร้อนของ HPMC
การเสื่อมสภาพจากความร้อนของ HPMC ได้รับผลกระทบจากปัจจัยหลายประการ รวมทั้ง:
โครงสร้างทางเคมี: ระดับการแทนที่กลุ่มไฮดรอกซีโพรพิลและเมทอกซีใน HPMC ส่งผลต่อเสถียรภาพทางความร้อน โดยทั่วไปแล้ว HPMC ที่มีปริมาณไฮดรอกซีโพรพิลสูงจะมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีกว่า
บรรยากาศโดยรอบ: ในอากาศ HPMC มีแนวโน้มที่จะสลายตัวจากออกซิเดชัน ในขณะที่ในสภาพแวดล้อมที่มีก๊าซเฉื่อย (เช่น ไนโตรเจน) อัตราการสลายตัวเนื่องจากความร้อนจะช้ากว่า
อัตราความร้อน: การให้ความร้อนอย่างรวดเร็วจะนำไปสู่การสลายตัวที่รวดเร็วขึ้น ในขณะที่การให้ความร้อนอย่างช้าๆ อาจช่วยให้ HPMC ค่อยๆ เปลี่ยนเป็นคาร์บอนและลดการผลิตผลิตภัณฑ์ระเหยที่เป็นก๊าซ
ปริมาณความชื้น: HPMC มีน้ำที่จับอยู่จำนวนหนึ่ง ในระหว่างกระบวนการให้ความร้อน การระเหยของความชื้นจะส่งผลต่ออุณหภูมิเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วและกระบวนการย่อยสลาย
ผลกระทบจากการประยุกต์ใช้จริงของการย่อยสลายทางความร้อนของ HPMC
ลักษณะการย่อยสลายทางความร้อนของ HPMC มีความสำคัญอย่างยิ่งในการประยุกต์ใช้งาน ตัวอย่างเช่น:
อุตสาหกรรมการก่อสร้าง: HPMC ใช้ในผลิตภัณฑ์ปูนซีเมนต์และยิปซัม และต้องคำนึงถึงความเสถียรระหว่างการก่อสร้างที่อุณหภูมิสูง เพื่อหลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพที่จะส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการยึดเกาะ
อุตสาหกรรมยา: HPMC เป็นตัวแทนปลดปล่อยยาที่ควบคุม และต้องหลีกเลี่ยงการสลายตัวในระหว่างการผลิตที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้แน่ใจถึงเสถียรภาพของยา
อุตสาหกรรมอาหาร: HPMC เป็นสารเติมแต่งอาหาร และลักษณะการสลายด้วยความร้อนจะกำหนดความเหมาะสมในการอบและการแปรรูปที่อุณหภูมิสูง
กระบวนการย่อยสลายทางความร้อนของเอชพีเอ็มซีสามารถแบ่งได้เป็นการระเหยของน้ำและการย่อยสลายเบื้องต้นในขั้นตอนอุณหภูมิต่ำ การแยกโซ่หลักและการระเหยของโมเลกุลขนาดเล็กในขั้นตอนอุณหภูมิปานกลาง และการคาร์บอไนเซชันและการโค้กในขั้นตอนอุณหภูมิสูง ความเสถียรทางความร้อนของ HPMC ได้รับผลกระทบจากปัจจัยต่างๆ เช่น โครงสร้างทางเคมี บรรยากาศโดยรอบ อัตราความร้อน และปริมาณความชื้น การทำความเข้าใจกลไกการย่อยสลายทางความร้อนของ HPMC นั้นมีคุณค่าอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานและปรับปรุงเสถียรภาพของวัสดุ
เวลาโพสต์ : 28 มี.ค. 2568