Гідроксипропілметилцелюлоза (HPMC)водорозчинна полімерна сполука, яка широко використовується в будівництві, медицині, харчовій та хімічній промисловості. Це неіонний ефір целюлози, отриманий шляхом хімічної модифікації природної целюлози, з хорошими властивостями загущення, емульгування, стабілізації та плівкоутворення. Проте в умовах високої температури HPMC буде піддаватися термічній деградації, що має важливий вплив на його стабільність і продуктивність у практичних застосуваннях.
Процес термічної деградації HPMC
Термічна деградація HPMC в основному включає фізичні та хімічні зміни. Фізичні зміни в основному проявляються у вигляді випаровування води, склування та зниження в'язкості, тоді як хімічні зміни включають руйнування молекулярної структури, розщеплення функціональної групи та остаточний процес карбонізації.
1. Низькотемпературна стадія (100–200°C): випаровування води та початкове розкладання
В умовах низьких температур (близько 100 °C) HPMC переважно зазнає випаровування води та склування. Оскільки HPMC містить певну кількість зв’язаної води, ця вода буде поступово випаровуватися під час нагрівання, таким чином впливаючи на її реологічні властивості. Крім того, в'язкість HPMC також буде зменшуватися з підвищенням температури. Зміни на цій стадії - це головним чином зміни фізичних властивостей, тоді як хімічна структура залишається в основному незмінною.
Коли температура продовжує зростати до 150-200°C, HPMC починає проходити попередні реакції хімічного розкладання. Це в основному проявляється у видаленні гідроксипропілових та метоксифункціональних груп, що призводить до зменшення молекулярної маси та структурних змін. На цьому етапі HPMC може виробляти невелику кількість малих летких молекул, таких як метанол і пропіональдегід.
2. Середньотемпературна стадія (200-300°C): розпад головного ланцюга та утворення малих молекул
При подальшому підвищенні температури до 200-300°C швидкість розкладання HPMC значно прискорюється. Основні механізми деградації включають:
Розрив ефірного зв’язку: головний ланцюг HPMC з’єднаний кільцевими одиницями глюкози, і ефірні зв’язки в ньому поступово розриваються під дією високої температури, викликаючи розкладання полімерного ланцюга.
Реакція дегідратації: структура цукрового кільця HPMC може піддаватися реакції дегідратації при високій температурі з утворенням нестабільного проміжного продукту, який далі розкладається на леткі продукти.
Вивільнення маломолекулярних летких речовин: під час цієї стадії HPMC вивільняє CO, CO₂, H₂O та низькомолекулярні органічні речовини, такі як формальдегід, ацетальдегід і акролеїн.
Ці зміни призведуть до значного зниження молекулярної маси ГПМЦ, значного зниження в’язкості, а матеріал почне жовтіти та навіть закоксуватися.
3. Високотемпературна стадія (300–500°С): карбонізація та коксування
Коли температура піднімається вище 300°C, HPMC переходить у стадію бурхливого розкладання. У цей час подальший розрив основного ланцюга і випаровування дрібномолекулярних сполук призводять до повного руйнування структури матеріалу і, нарешті, утворюють вуглецевмісні залишки (кокс). На цій стадії в основному виникають такі реакції:
Окислювальна деградація: при високій температурі HPMC вступає в реакцію окислення з утворенням CO₂ і CO, і в той же час утворює вуглецеві залишки.
Реакція коксування: частина полімерної структури перетворюється на продукти неповного згоряння, такі як сажа або залишки коксу.
Летючі продукти: Продовжуйте виділяти вуглеводні, такі як етилен, пропілен і метан.
При нагріванні на повітрі HPMC може далі горіти, тоді як нагрівання за відсутності кисню в основному утворює карбонізовані залишки.
Фактори, що впливають на термічну деградацію HPMC
На термічну деградацію HPMC впливає багато факторів, зокрема:
Хімічна структура: Ступінь заміщення гідроксипропілової та метоксигрупи в ГПМЦ впливає на її термостабільність. Взагалі кажучи, HPMC з вищим вмістом гідроксипропілу має кращу термічну стабільність.
Атмосфера навколишнього середовища: на повітрі HPMC схильний до окисної деградації, тоді як у середовищі інертного газу (наприклад, азоту) швидкість його термічної деградації нижча.
Швидкість нагрівання: Швидке нагрівання призведе до швидшого розкладання, тоді як повільне нагрівання може допомогти HPMC поступово карбонізувати та зменшити утворення газоподібних летких продуктів.
Вміст вологи: HPMC містить певну кількість зв'язаної води. Під час процесу нагрівання випаровування вологи впливатиме на температуру склування та процес деградації.
Практичне застосування впливу термічної деградації ГПМЦ
Характеристики термічної деградації HPMC мають велике значення в області його застосування. Наприклад:
Будівельна промисловість: HPMC використовується в цементних розчинах і гіпсових продуктах, і його стабільність під час високотемпературного будівництва слід враховувати, щоб уникнути деградації, що вплине на ефективність з’єднання.
Фармацевтична промисловість: HPMC є агентом з контрольованим вивільненням ліків, тому слід уникати розкладання під час виробництва при високій температурі, щоб забезпечити стабільність препарату.
Харчова промисловість: HPMC є харчовою добавкою, і її характеристики термічної деградації визначають її застосування при високій температурі випічки та обробки.
Процес термічної деградаціїHPMCможна розділити на випаровування води та попередню деградацію на низькотемпературній стадії, розщеплення головного ланцюга та випаровування малих молекул на середньотемпературній стадії та карбонізацію та коксування на високотемпературній стадії. На його термічну стабільність впливають такі фактори, як хімічна структура, атмосфера навколишнього середовища, швидкість нагрівання та вміст вологи. Розуміння механізму термічної деградації HPMC має велике значення для оптимізації його застосування та підвищення стабільності матеріалу.
Час публікації: 28 березня 2025 р