هيدروكسي بروبيل ميثيل سيلولوز (HPMC)هو مركب البوليمر القابل للذوبان في الماء يستخدم على نطاق واسع في مجال البناء والطب والغذاء والكيمياء. إنه الأثير السليلوز غير الأيوني الذي تم الحصول عليه عن طريق التعديل الكيميائي للسليلوز الطبيعي ، مع خصائص سماكة جيدة ، الاستحمام ، الاستقرار وخصائص تشكيل الأفلام. ومع ذلك ، في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة ، ستخضع HPMC للتدهور الحراري ، الذي له تأثير مهم على استقرارها وأدائها في التطبيقات العملية.
عملية التحلل الحراري لـ HPMC
يتضمن التدهور الحراري لـ HPMC بشكل أساسي التغيرات الفيزيائية والتغيرات الكيميائية. تتجلى التغيرات الفيزيائية بشكل أساسي كتبخر في الماء ، وانتقال الزجاج والحد من اللزوجة ، في حين أن التغييرات الكيميائية تنطوي على تدمير التركيب الجزيئي ، انشقاق المجموعة الوظيفية وعملية الكربنة النهائية.
1. مرحلة درجة حرارة منخفضة (100-200 درجة مئوية): تبخر الماء والتحلل الأولي
في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة (حوالي 100 درجة مئوية) ، يخضع HPMC بشكل رئيسي تبخر الماء والانتقال الزجاجي. نظرًا لأن HPMC يحتوي على كمية معينة من المياه المرتبطة ، فإن هذا الماء سيتبخر تدريجياً أثناء التسخين ، مما يؤثر على خصائصه الريولوجية. بالإضافة إلى ذلك ، ستنخفض لزوجة HPMC مع زيادة درجة الحرارة. التغييرات في هذه المرحلة هي تغييرات في الخواص الفيزيائية بشكل أساسي ، في حين أن التركيب الكيميائي يظل دون تغيير بشكل أساسي.
عندما تستمر درجة الحرارة في الارتفاع إلى 150-200 درجة مئوية ، تبدأ HPMC في الخضوع لتفاعلات التحلل الكيميائي الأولي. يتجلى بشكل رئيسي في إزالة مجموعات وظيفية هيدروكسي بروبيل والميثوكسي ، مما يؤدي إلى انخفاض في الوزن الجزيئي والتغيرات الهيكلية. في هذه المرحلة ، قد تنتج HPMC كمية صغيرة من الجزيئات المتطايرة الصغيرة ، مثل الميثانول و propionaldehyde.
2. مرحلة درجة الحرارة المتوسطة (200-300 درجة مئوية): تدهور السلسلة الرئيسية وتوليد جزيء صغير
عندما يتم زيادة درجة الحرارة إلى 200-300 درجة مئوية ، يتم تسريع معدل التحلل HPMC بشكل كبير. تشمل آليات التحلل الرئيسية:
كسر السندات الأثير: يتم توصيل السلسلة الرئيسية من HPMC بواسطة وحدات حلقة الجلوكوز ، وتتكسر روابط الأثير تدريجياً تحت درجة حرارة عالية ، مما يتسبب في تحلل سلسلة البوليمر.
تفاعل الجفاف: قد يخضع بنية حلقة السكر لـ HPMC لتفاعل الجفاف في درجة حرارة عالية لتشكيل وسيطة غير مستقرة ، والتي تتحلل إلى منتجات متقلبة.
إطلاق المواد المتطايرة الجزيئية الصغيرة: خلال هذه المرحلة ، تقوم HPMC بإصدارات CO و CO₂ و H₂O والمواد العضوية الجزيئية الصغيرة ، مثل الفورمالديهايد ، الأسيتالديهايد والأكرولين.
سوف تتسبب هذه التغييرات في انخفاض الوزن الجزيئي لـ HPMC بشكل كبير ، وتنخفض اللزوجة بشكل كبير ، وستبدأ المادة في تحويل اللون الأصفر وحتى إنتاج الكوك.
3. مرحلة درجات الحرارة العالية (300-500 درجة مئوية): الكربنة والكوك
عندما ترتفع درجة الحرارة أعلى من 300 درجة مئوية ، تدخل HPMC مرحلة تدهور عنيفة. في هذا الوقت ، يؤدي الكسر الإضافي للسلسلة الرئيسية وتطوير مركبات الجزيئات الصغيرة إلى التدمير الكامل للهيكل المادي ، وأخيراً تشكل بقايا كربونية (فحم الكوك). تحدث ردود الفعل التالية بشكل أساسي في هذه المرحلة:
التدهور المؤكسد: في درجة حرارة عالية ، يخضع HPMC تفاعل الأكسدة لتوليد CO₂ و CO ، وفي نفس الوقت تشكل بقايا كربونية.
تفاعل الكوك: يتم تحويل جزء من بنية البوليمر إلى منتجات احتراق غير مكتملة ، مثل بقايا الكربون الأسود أو فحم الكوك.
المنتجات المتقلبة: استمر في إطلاق الهيدروكربونات مثل الإيثيلين والبروبيلين والميثان.
عند تسخينه في الهواء ، قد يحترق HPMC ، بينما يشكل التدفئة في غياب الأكسجين المخلفات المكبنة بشكل أساسي.
العوامل التي تؤثر على التدهور الحراري لـ HPMC
يتأثر التدهور الحراري لـ HPMC بالعديد من العوامل ، بما في ذلك:
التركيب الكيميائي: تؤثر درجة استبدال مجموعات الهيدروكسي بروبيل والميثوكسي في HPMC على استقرارها الحراري. بشكل عام ، يتمتع HPMC مع محتوى Hydroxypropyl العالي باستقرار حراري أفضل.
الجو المحيط: في الهواء ، يكون HPMC عرضة للتدهور المؤكسد ، بينما في بيئة الغاز الخاملة (مثل النيتروجين) ، يكون معدل التدهور الحراري أبطأ.
معدل التدفئة: سيؤدي التسخين السريع إلى تحلل أسرع ، في حين أن التدفئة البطيئة قد تساعد HPMC على تجربف وتقليل إنتاج المنتجات المتطايرة الغازية تدريجياً.
محتوى الرطوبة: يحتوي HPMC على كمية معينة من الماء المرتبط. أثناء عملية التدفئة ، سيؤثر تبخر الرطوبة على درجة حرارة انتقال الزجاج وعملية التحلل.
تأثير التطبيق العملي للتدهور الحراري لـ HPMC
خصائص التدهور الحراري لـ HPMC لها أهمية كبيرة في مجال التطبيق. على سبيل المثال:
صناعة البناء: يتم استخدام HPMC في منتجات هاون الأسمنت والغجر ، ويجب النظر في استقرارها أثناء بناء درجات الحرارة العالية لتجنب التدهور الذي يؤثر على أداء الترابط.
صناعة الأدوية: HPMC هو عامل إطلاق مسيطر عليه المخدرات ، ويجب تجنب التحلل أثناء الإنتاج ذو درجة الحرارة العالية لضمان استقرار الدواء.
صناعة المواد الغذائية: HPMC هي مضافة للأغذية ، وخصائص التدهور الحراري تحدد قابليتها للتطبيق في الخبز والمعالجة عالية الحرارة.
عملية التحلل الحراريHPMCيمكن تقسيمها إلى تبخر الماء والتدهور الأولي في مرحلة درجات الحرارة المنخفضة ، وانقسام السلسلة الرئيسي وتطابق الجزيء الصغير في مرحلة درجة الحرارة المتوسطة ، والكربنة والكوك في مرحلة درجة الحرارة العالية. يتأثر استقراره الحراري بعوامل مثل التركيب الكيميائي والجو المحيط ومعدل التسخين ومحتوى الرطوبة. إن فهم آلية التحلل الحراري لـ HPMC هو ذو قيمة كبيرة لتحسين تطبيقه وتحسين استقرار المواد.
وقت النشر: MAR-28-2025