რა გავლენას ახდენს ტემპერატურა ცელულოზის ეთერის ხსნადობაზე?

შეცვლილი ცელულოზის ეთერის წყლის ხსნადობა გავლენას ახდენს ტემპერატურაზე. საერთოდ, ცელულოზის ეთერების უმეტესობა წყალში ხსნადია დაბალ ტემპერატურაზე. როდესაც ტემპერატურა იზრდება, მათი ხსნადობა თანდათანობით ხდება ღარიბი და საბოლოოდ ხდება ხსნადი. დაბალი კრიტიკული ხსნარის ტემპერატურა (LCST: დაბალი კრიტიკული ხსნარის ტემპერატურა) არის მნიშვნელოვანი პარამეტრი, რომელიც ახასიათებს ცელულოზის ეთერის ხსნადობის შეცვლას, როდესაც ტემპერატურა იცვლება, ანუ ქვედა კრიტიკული ხსნარის ტემპერატურის ზემოთ, ცელულოზის ეთერი წყალში ხსნადია.

შესწავლილი იქნა წყლის მეთილკელულოზის ხსნარების გათბობა და ახსნილია ხსნადობის ცვლილების მექანიზმი. როგორც ზემოთ აღინიშნა, როდესაც მეთილკელულოზის ხსნარი დაბალ ტემპერატურაზეა, მაკრომოლეკულები გარშემორტყმულია წყლის მოლეკულებით, რათა შექმნან გალიის სტრუქტურა. ტემპერატურის ამაღლებით გამოყენებული სითბო დაანგრიებს წყალბადის კავშირს წყლის მოლეკულასა და MC მოლეკულას შორის, გალიის მსგავსი სუპრამოლეკულური სტრუქტურა განადგურდება, ხოლო წყლის მოლეკულა განთავისუფლდება წყალბადის ბონდის დამაკავშირებელიდან, რომ გახდეს თავისუფალი წყლის მოლეკულა, ხოლო მეთილის ჰიდროფობიური მეთილის ჯგუფი, ცელულოზის მაკრომოლიკულურ ჯაჭვზე, ხოლო მეთილზე გამოწურულ ჯაჭვზე გამოწურულდება, ხოლო მეთილის ჰიდროფობიური მეთილის ჯგუფის მიერ გამოწვეული ჯაჭვი ხდება ცელულოზის მაკრომოლეზე. ჰიდროქსიპროპილის მეთილცელულოზის ჰიდროფობიური ასოციაცია თერმულად გამოწვეული ჰიდროგელი. თუ იმავე მოლეკულურ ჯაჭვზე მეთილის ჯგუფები ჰიდროფობიურად არის შეკრული, ეს ინტრამოლეკულური ურთიერთქმედება გახდის მთელ მოლეკულას. ამასთან, ტემპერატურის მატება გააძლიერებს ჯაჭვის სეგმენტის მოძრაობას, მოლეკულში ჰიდროფობიური ურთიერთქმედება არასტაბილური იქნება, ხოლო მოლეკულური ჯაჭვი შეიცვლება coiled მდგომარეობიდან გაფართოებულ მდგომარეობაში. ამ დროს, მოლეკულებს შორის ჰიდროფობიური ურთიერთქმედება იწყებს დომინირებას. როდესაც ტემპერატურა თანდათანობით იზრდება, უფრო და უფრო მეტი წყალბადის ობლიგაციები იშლება და უფრო და უფრო მეტი ცელულოზის ეთერის მოლეკულები გამოყოფილია გალიის სტრუქტურისგან, ხოლო მაკრომოლეკულები, რომლებიც ერთმანეთთან უფრო ახლოს არიან, იკრიბებიან ჰიდროფობიური ურთიერთქმედებების საშუალებით, ჰიდროფობიური აგრეგატის შესაქმნელად. ტემპერატურის შემდგომი ზრდით, საბოლოოდ ყველა წყალბადის ობლიგაცია იშლება და მისი ჰიდროფობიური ასოციაცია მაქსიმუმს აღწევს, ზრდის ჰიდროფობიური აგრეგატების რაოდენობას და ზომას. ამ პროცესის განმავლობაში, მეთილკელულოზა ხდება თანდათანობით ხსნადი და საბოლოოდ წყალში მთლიანად ხსნადი. როდესაც ტემპერატურა იზრდება იმ წერტილამდე, სადაც მაკრომოლეკულებს შორის სამგანზომილებიანი ქსელის სტრუქტურა იქმნება, როგორც ჩანს, ის ქმნის გელის მაკროსკოპულად.

Jun Gao და George Haidar et al შეისწავლეს ჰიდროქსიპროპილის ცელულოზის წყალხსნარის ტემპერატურის ეფექტი შუქის გაფანტვის საშუალებით და შესთავაზეს, რომ ჰიდროქსიპროპილის ცელულოზის ქვედა კრიტიკული ხსნარის ტემპერატურა დაახლოებით 410c. 390C- ზე დაბალ ტემპერატურაზე, ჰიდროქსიპროპილ ცელულოზის ერთჯერადი მოლეკულური ჯაჭვი შემთხვევით გადახურულ მდგომარეობაშია, ხოლო მოლეკულების ჰიდროდინამიკური რადიუსის განაწილება ფართოა და მაკრომოლეკულებს შორის არ არსებობს აგრეგაცია. როდესაც ტემპერატურა იზრდება 390C- მდე, მოლეკულური ჯაჭვებს შორის ჰიდროფობიური ურთიერთქმედება ძლიერდება, მაკრომოლეკულები აგრეგატს და პოლიმერის წყლის ხსნადობას ცუდად ხდება. ამასთან, ამ ტემპერატურაზე, ჰიდროქსიპროპილის ცელულოზის მოლეკულების მხოლოდ მცირე ნაწილი ქმნის ზოგიერთ ფხვიერ აგრეგატს, რომელიც შეიცავს მხოლოდ რამდენიმე მოლეკულურ ჯაჭვს, ხოლო მოლეკულების უმეტესობა კვლავ არის დაშლილი ერთჯერადი ჯაჭვების მდგომარეობაში. როდესაც ტემპერატურა 400C- მდე იზრდება, უფრო მეტი მაკრომოლეკულები მონაწილეობენ აგრეგატების ფორმირებაში, ხოლო ხსნადობა უფრო უარესი და უარესი ხდება, მაგრამ ამ დროს, ზოგიერთი მოლეკულა კვლავ არის ცალკეული ჯაჭვების მდგომარეობაში. როდესაც ტემპერატურა 410C-440C- ის დიაპაზონშია, უფრო მაღალი ტემპერატურაზე ძლიერი ჰიდროფობიური ეფექტის გამო, უფრო მეტი მოლეკულები იკრიბებიან უფრო დიდი და მკვრივი ნანონაწილაკების შესაქმნელად, შედარებით ერთგვაროვანი განაწილებით. სიმაღლეები უფრო დიდი და მკვრივი ხდება. ამ ჰიდროფობიური აგრეგატების წარმოქმნა იწვევს პოლიმერის მაღალი და დაბალი კონცენტრაციის რეგიონების წარმოქმნას ხსნარში, ე.წ. მიკროსკოპული ფაზის განცალკევება.

უნდა აღინიშნოს, რომ ნანონაწილაკების აგრეგატები კინეტიკურად სტაბილურ მდგომარეობაშია და არა თერმოდინამიკურად სტაბილურ მდგომარეობაში. ეს არის იმის გამო, რომ მიუხედავად იმისა, რომ განადგურებულია საწყისი გალიის სტრუქტურა, ჯერ კიდევ არსებობს ძლიერი წყალბადის კავშირი ჰიდროფილური ჰიდროქსილის ჯგუფსა და წყლის მოლეკულას შორის, რაც ხელს უშლის ჰიდროფობიურ ჯგუფებს, როგორიცაა მეთილი და ჰიდროქსიპროპილი. ნანონაწილაკების აგრეგატებმა მიაღწიეს დინამიურ წონასწორობას და სტაბილურ მდგომარეობას ორი ეფექტის ერთობლივი გავლენის ქვეშ.

გარდა ამისა, კვლევამ ასევე დაადგინა, რომ გათბობის სიჩქარე ასევე გავლენას ახდენს საერთო ნაწილაკების წარმოქმნაზე. გათბობის უფრო სწრაფი სიჩქარით, მოლეკულური ჯაჭვების აგრეგაცია უფრო სწრაფია, ხოლო წარმოქმნილი ნანონაწილაკების ზომა უფრო მცირეა; და როდესაც გათბობის მაჩვენებელი უფრო ნელია, მაკრომოლეკულებს უფრო მეტი შესაძლებლობა აქვთ შექმნან უფრო დიდი ზომის ნანონაწილაკების აგრეგატები.