Реферат: Метилцеллюлоза и карбоксиметилцеллюлоза: свойства растворов и пленок
Свойства регенерированной из растворов метилцеллюлозы (пленок)
Растворенная в воде и в водно-щелочных растворах метилцеллюлоза различной степени замещения может быть регенерирована из них в виде пленок. Получение пленок низкозамещенной метилцеллюлозы, растворимой в щелочи, осуществляется «мокрым» способом - путем коагуляции в специально подобранных осадительных ваннах. Удовлетворительные результаты получены с осадительными ваннами, состоящими из раствора сернокислого аммония (NH4)2SO4 (100 г/л).
Действие осадительной ванны из сульфатаммония может быть выражено следующим образом:
2NаОН + (NН4)2SО4=Nа2SO4 + 2NН3↑ + 2Н20.
Вследствие изменения состава растворителя и частичной дегидратации растворенной метилцеллюлозы происходит сближение ее цепей и стеклование, т. е. образование сильно набухшей пленки.
При формировании пленки на твердой подложке вследствие известного натяжения (в результате сил сцепления) в ней возникает плоскостно-ориентированная структура. В то же время в свежесформованной пленке благодаря ее сильно набухшему состоянию возможна некоторая подвижность цепей, обусловленная тепловым движением. Все это влечет за собой релаксационные процессы, т. е. возврат структуры пленки в наиболее устойчивое положение, соответствующее изотропному состоянию. В силу изложенных обстоятельств при формировании метилцеллюлозной пленки на стекле из ее щелочного раствора происходит сокращение размеров пленки по плоскости и увеличение ее толщины.
По механической прочности щёлочерастворимые пленки близки к обычным пластифицированным целлофановым пленкам, так как имеют
прочность на разрыв в продольном направлении (6.8-8.8).107 Н/м2, удлинение при разрыве около 20 %.
Данные о гигроскопичности и водопоглощении пленок низкозамещенной метилцеллюлозы, представленные в табл. 4, показывают, что
Таблица 4
Гигроскопичность и водопоглощение метилцеллюлозных пленок[16]
| Содержание ОСНз, % |
Гигроскопичность пленки, % |
Водопоглощение пленки, % |
| 3,9 | 16,7 | 106 |
| 5,8 | 18,3 | 206 |
| 7,1 | 20,8 | 438 |
| 9,1 | 21,3 | 684 |
гигроскопичность и водопоглощение метилцеллюлозных пленок достигают больших величин, которые в значительной мере зависят от степени этерификации исходной метилцеллюлозы; увеличение содержания ОСН3-групп в исходном продукте влечет за собой увеличение гигроскопичности и набухаемости в воде метилцеллюлозных пленок.
Структура регенерированной метилцеллюлозы и ее связь с физико-механическими свойствами пленок изучены в работе [16]. В целях сравнения исследовались пленки низкозамещенной метилцеллюлозы и метилцеллюлозы высокой степени замещения, вплоть до 3. Пленки одной и той же метилцеллюлозы высокой степени замещения получены из таких резко различных растворов, как вода и органические растворители. Такое сравнение представляет особенный интерес, ибо оно позволяет сделать вывод о построении решетки метилцеллюлозы при регенерации из раствора в зависимости не только от степени замещения, но и от растворителя. Для этого получена метилцеллюлоза высокой степени замещения (близкой к 3), способная растворяться как в воде, так и в органическом растворителе −хлороформе. Пленки из водных растворов и растворов в хлороформе получены путем отлива на стекле и испарения растворителя.
Пленки из водного раствора метилцеллюлозы (γ=180), полученные медленным испарением растворителя при комнатной температуре, имеют аморфную структуру. Однако при такой высокой степени замещения в определенных условиях вполне вероятна возможность упорядочения структуры метилцеллюлозы в готовых пленках. Такими условиями оказались прогрев пленок в среде, вызывающей набухание. Так, уже кипячение пленки в воде (метилцеллюлоза в горячей воде нерастворима) в течение 30 мин вызывает заметное увеличение порядка. Прогрев пленки в глицерине при температуре 473 К вызывает еще большее упорядочение.
Особый интерес представляет формование пленок из водных растворов метилцеллюлозы при повышенных температурах. При кипячении пленки в воде кроме упорядочения происходит уплотнение структуры, уничтожение различных внутренних дефектов, чем объясняется, по-видимому, увеличение
прочности пленки.
Формование пленок при 343 К приводит к значительному увеличению эластичности, что может объясняться более свернутой конфигурацией макромолекул, поскольку горячая вода не является растворителем для метилцеллюлозы.
Переходя далее к рассмотрению структуры пленок триметил-целлюлозы, следует отметить интересную особенность этого эфира. Триметилцеллюлоза способна растворяться не только в органических растворителях, но и в холодной воде (Т==273 К). Структура пленок триметилцеллюлозы как стереорегулярного полимера отличается высокой кристалличностью. Вода для триметилцеллюлозы является v-растворителем, поэтому пленки, сформованные из водного раствора, отличаются меньшей кристалличностью.
Электронно-микроскопическое исследование поверхности пленок МЦ и поверхности сколов, полученных в результате излома пленки, вдоль оси вытяжки при температуре жидкого азота позволило установить более мелкомасштабные детали строения пленок. При степенях вытяжки λ≤2.0 поверхность ориентированных пленок остается достаточно гладкой и ровной. Фибриллярная структура, видимая в оптический микроскоп, электронно-микроскопическим способом не обнаруживается. При λ≈2.2—2.5 на поверхности пленок появляется рельеф, образованный довольно регулярными и протяженными бороздами шириной 0.2—0.4 мкм, направленными перпендикулярно оси вытяжки. При сканировании перпендикулярно оси вытяжки (рис.1) видны поперечные складки шириной 0.3—0.5 мкм, а на некоторых участках обнаруживаются расслоения в виде микротрещин размером по ширине 0.1—0.2 мкм и длине 1.0—1.5 мкм, направленных параллельно оси вытяжки. При сканировании параллельно оси вытяжки кроме складчатой структуры становятся видимыми неровности с преимущественной ориентацией вдоль оси вытяжки. Изучение поверхности сколов обнаруживает наличие пористой структуры, размер пор колеблется от 0.1 до 1.0 мкм.
Рис 1.
Свойства регенерированной из щелочного раствора Na-КМЦ (в виде пленок)
В связи с возможностью получения вязких растворов низкозамещенной карбоксиметилцеллюлозы с достаточно высокой степенью полимеризации были приготовлены пленки и изучены их свойства.
Формование пленок проводили по методике, применявшейся и для метилцеллюлозных растворов. В табл. 5 приведены данные механической прочности пленок. Пленки из низкозамещенной карбоксиметилцеллюлозы имели хорошую механическую прочность, но малую эластичность; удлинение при разрыве этих пленок составляло всего 5—6 % .
Таблица 5
Прочность на разрыв пленок из низкозамещенной карбоксиметилцеллюлозы
| Номер образца | Степень замещения γ | Концентрация раствора, % |
Прочность на разрыв σ . 10-7 , Н/м2 |
Растяжение при разрыве, % |
| 1 | 5,0 | 2,0 | 9,0 | 5,3 |
| 2 | 10,4 | 2,0 | 9,3 | 6,0 |
| 3 | 9,8 | 2,0 | 7,9 | 5,0 |
| 4 | 9;8 | 4,0 | 11,8 | 6,0 |
| 5 | 9,2 | 2,0 | 8,3 | 5,0 |
| 6 | 9,2 | 4,0 | 11,3_ | - |
Данные о гигроскопичности и водопоглощении пленок из низкозамещенной карбоксиметилцеллюлозы представлены в табл.6. Гигроскопичность определяли при выдерживании пленок в атмосфере с относительной влажностью 80 %; водопоглощение измеряли при замачивании пленок в дистиллированной воде в течение двух суток при 293 К.
Таблица 6
Гигроскопичность и водопоглощение пленок из низкозамещенной
карбоксиметилцеллюлозы
| Номер образца |
Степень замещения γ
|
Гигроскопичность, % |
Водопоглощение, % |
| 1 | 23,5 | 23,3 | 3290 |
| 2 | 5,0 | 20,4 | 259 |
| 3 | 10,4 | 22,4 | 544 |
| 4 | 9,8 | 22,1 | 388 |
| 5 | 9,2 | 21,5 | 321 |
Как видно из табл. 6, гигроскопичность и водопоглощение пленок из низкозамещенной карбоксиметилцеллюлозы быстро увеличиваются по мере
повышения степени замещения продукта. Особенно заметно влияние степени замещения на водопоглощение пленок.
Эффект возрастания гидрофильных свойств целлюлозы при введении в нее небольшого количества объемистых радикалов объясняется, как уже говорилось, тем, что в начальной стадии этерификации происходит перераспределение прочности водородных связей в поперечной структуре волокна, характеризуемое накоплением более слабых связей.
Применение метилцеллюлозы
Наибольшее значение получили высокозамещенные растворимые в воде препараты метилцеллюлозы (γ=150—200) [5]. Эти продукты обладают комплексом ценных технических свойств и выпускаются промышленностью в виде мелких гранул или порошка белого или слегка желтоватого цвета. Практически не имеют запаха и вкуса. При температуре 433 К окрашиваются и разлагаются. Водные растворы метилцеллюлозы дают нейтральную реакцию.
В большинстве случаев метилцеллюлозу применяют для загущения водной среды. Эффективность загущения зависит от вязкости (т. е. от степени полимеризации). Метилцеллюлоза позволяет водонерастворимые вещества переводить в водной среде в устойчивое тонкодисперсное состояние, так как она образует гидрофильные мономолекулярные защитные слои вокруг отдельных частиц.
Ценными свойствами метилцеллюлозы являются ее высокое связующее действие для пигментов, высокая адгезия в сухом состоянии и способность образовывать пленки. Эти интересные свойства используются при приготовлении водных малярных красок и клеящих веществ. Особенно пригодны для этого метилцеллюлозы с низкой величиной вязкости, так как их можно наносить на самые различные подложки.
В текстильной промышленности метилцеллюлоза используется в качестве шлихты для шерстяной основы и для мягкого аппретирования тканей с целью получения элегантного грифа и глянца.
Метилцеллюлоза с успехом применяется в мыловаренной промышленности. В фармацевтической практике она используется в качестве обезжиренной основы для так называемых слизистых и эмульсионных мазей типа масло/вода, которые служат для защиты кожи от световых ожогов и для обработки ран. Кроме того, метилцеллюлоза служит самостоятельным лекарственным препаратом.
В косметике водорастворимые простые эфиры целлюлозы используют для получения зубных паст и элексиров, защитных эмульсий и обезжиренных кремов для кожи.
Во всевозможных эмульсиях метилцеллюлозу применяют в качестве эмульгаторов и стабилизаторов для растительных масел.
Очень широко используется она также в пищевой промышленности.
Так, в производстве мороженого ее применение обеспечивает необходимую пышность, стабильность и вкус. Метилцеллюлоза используется в ароматических эмульсиях, подливах, для фруктовых соков, консервов и т. д.
Любопытное применение в пищевой промышленности находит способность растворов метилцеллюлозы желатинизироваться при нагревании. Так, например, добавление метилцеллюлозы к фруктовым начинкам пирогов или к сладкой начинке из варенья препятствует вытеканию этих компонентов при выпечке, что значительно улучшает внешний вид и сохраняет вкус изделий.
На карандашных фабриках метилцеллюлоза используется вместо гуммитрагаканта для цветных и копировальных стержней, для пастельных стержней, школьных мелков и красок и т. д.
Таким образом, применение водорастворимой метилцеллюлозы, хотя и является меньшим по масштабу, чем КМЦ, чрезвычайно разнообразно.
Что же касается низкозамещенной (щёлочерастворимой) метил-целлюлозы, то она не получила пока значительного применения.
Применение карбоксиметилцеллюлозы
Пленки, состоящие из 100 % Н-КМЦ растворимы начиная только с рН=11. Пленки указанного состава могут быть использованы в тех случаях, когда желательно ограничить их растворимость в небольших пределах значений рН, например в оболочках фармацевтических препаратов. Такая оболочка не должна растворяться, например, в слабокислой среде желудочного сока, но хорошо растворяется в слабощелочной среде кишечника.
Натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы со степенью замещения от 0.5 до 1 −1.2 производится промышленностью в больших количествах, так как она находит широкое применение в нефтяной, текстильной, пищевой, фармацевтической технологиях, в производстве детергентов и т. д. как стабилизирующее, загущающее, клеящее, пленкообразующее и т. п. вещество. Эта соль хорошо растворяется в воде.
Ряд исследований, проведенных при испытании Nа-КМЦ в качестве добавки к моющим средствам, показал, что этот продукт значительно улучшает их моющие свойства.
Литература
1. Прокофьева М.В.,
Родионов Н.А., Козлов М.П.//Химия и технология
производных
целлюлозы. Владимир, 1968.С. 118.
2.
Несмеянов
А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. М.,1969.Т.1.
663с.
3. Плиско Е.А.//ЖОХ.1958. Т. 28, № 12. С, 3214.
4. Плиско Е.А.//ЖОХ.1961. Т. 31, №2. С. 474
5. Heuser E. The Chemistry of Cellulose. New York, 1944. 660 p.
6. Глузман MX., Левитская И.Б. //ЖПХ. 1960. Т. 33, N 5. С. 1172
7.
Петропавловский
Г.А., Васильева Г.Г., Волкова Л. А. // Cell. Chem.
Technol. 1967. Vol. 1, N2. P. 211.
8. Никитин Н.И., Петропавловский Г.А. //ЖПХ. 1956. Т. 29. С. 1540
9.
Петропавловский
Г.А., Никитин Н.И. //Тр. Ин-та леса АН СССР. 1958. Т.45.
С. 140.
10. Васильева
Г.Г. Свойства щелочерастворимой карбоксиметилцеллюлозы и
возможности ее использования в
бумажной промышленности: Дис. канд.
техн. наук. Л. 1960.
11. VinkH. //Macromoleculare Chemie. 1966. Bd. 94. S. 1.
12. Vole K., Meyerhoff G. //Macromoleculare Chemie. 1961. Bd. 47. S. 168.
13. NeelyW.B.//J. Organ. Chem. 1961. Vol. 26. P. 3015.
14. Savage A.B. //Ind. Eng. Chem. 1957. Vol. 49. P. 99.
15. Allgen L. //J. Polymer Sci. 1954. Vol. 14, N 75.P. 281.
16. Подгородецкий Е. К.
Технология производства пленок из
высокомолекулярных
соединений. М: Искусство, 1953. 77 с.
Оглавление
Введение стр. 2
Получение метилцеллюлозы стр. 2
Получение карбоксиметилцеллюлозы стр. 4
Свойства растворов метилцеллюлозы стр. 6
Свойства водорастворимой метилцеллюлозы стр. 8
Свойства растворов
карбоксиметилцеллюлозы стр. 11
Свойства регенерированной из
растворов метилцеллюлозы
(пленок) стр. 12
Свойства регенерированной из
щелочного раствора Na-КМЦ
(в виде пленок) стр. 15
Применение метилцеллюлозы стр. 16
Применение карбоксиметилцеллюлозы стр. 18
Литература стр. 19
