هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوز (HPMC) مركب بوليمري شائع الاستخدام، يُستخدم على نطاق واسع في صناعات البناء والأدوية والأغذية وغيرها. يتميز البوليمر القابل للذوبان في الماء بخصائص ممتازة في الاحتفاظ بالماء، وتكوين الأغشية، والتكثيف، والاستحلاب. يُعد احتفاظه بالماء من أهم خصائصه في العديد من التطبيقات، وخاصةً في مواد مثل الأسمنت والملاط والطلاءات في قطاع البناء، مما يُؤخر تبخر الماء ويُحسّن أداء البناء وجودة المنتج النهائي. ومع ذلك، يرتبط احتفاظ البوليمر بالماء ارتباطًا وثيقًا بتغير درجة حرارة البيئة الخارجية، وفهم هذه العلاقة أمر بالغ الأهمية لتطبيقاته في مختلف المجالات.
1. بنية واحتباس الماء في HPMC
يُصنع HPMC عن طريق التعديل الكيميائي للسليلوز الطبيعي، وذلك أساسًا بإضافة مجموعتي هيدروكسي بروبيل (-C3H7OH) وميثيل (-CH3) إلى سلسلة السليلوز، مما يمنحه قابلية ذوبان وتنظيم جيدة. يمكن لمجموعات الهيدروكسيل (-OH) في جزيئات HPMC تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء. وبالتالي، يمتص HPMC الماء ويتحد معه، مما يُظهر قدرته على الاحتفاظ بالماء.
يشير احتباس الماء إلى قدرة المادة على الاحتفاظ بالماء. بالنسبة لـ HPMC، يتجلى ذلك بشكل رئيسي في قدرتها على الحفاظ على محتوى الماء في النظام من خلال الترطيب، خاصةً في بيئات درجات الحرارة والرطوبة العالية، مما يمنع بفعالية فقدان الماء السريع ويحافظ على قابلية المادة للبلل. ونظرًا لارتباط الترطيب في جزيئات HPMC ارتباطًا وثيقًا بتفاعل بنيتها الجزيئية، فإن تغيرات درجة الحرارة تؤثر بشكل مباشر على قدرة HPMC على امتصاص الماء واحتفاظه به.
2. تأثير درجة الحرارة على احتباس الماء في HPMC
يمكن مناقشة العلاقة بين احتباس الماء لـ HPMC ودرجة الحرارة من جانبين: الأول هو تأثير درجة الحرارة على ذوبان HPMC، والآخر هو تأثير درجة الحرارة على بنيته الجزيئية وترطيبه.
2.1 تأثير درجة الحرارة على ذوبان HPMC
ترتبط ذوبانية مركبات HPMC في الماء بدرجة الحرارة. عمومًا، تزداد ذوبانية مركبات HPMC بارتفاع درجة الحرارة. عند ارتفاع درجة الحرارة، تكتسب جزيئات الماء طاقة حرارية أكبر، مما يُضعف التفاعل بينها، وبالتالي يُعزز ذوبانها. HPMCبالنسبة لـ HPMC، فإن زيادة درجة الحرارة قد تجعل من الأسهل تكوين محلول غرواني، وبالتالي تعزيز احتفاظه بالماء.
مع ذلك، قد تؤدي درجة الحرارة المرتفعة جدًا إلى زيادة لزوجة محلول HPMC، مما يؤثر على خصائصه الريولوجية وقابليته للتشتت. ورغم أن هذا التأثير إيجابي لتحسين قابلية الذوبان، إلا أن ارتفاع درجة الحرارة قد يُغير استقرار بنيته الجزيئية ويُقلل من احتباس الماء.
2.2 تأثير درجة الحرارة على البنية الجزيئية لـ HPMC
في البنية الجزيئية لـ HPMC، تتكون الروابط الهيدروجينية بشكل رئيسي مع جزيئات الماء من خلال مجموعات الهيدروكسيل، وهذه الرابطة الهيدروجينية أساسية لاحتفاظ HPMC بالماء. مع ارتفاع درجة الحرارة، قد تتغير قوة الرابطة الهيدروجينية، مما يؤدي إلى إضعاف قوة الارتباط بين جزيء HPMC وجزيء الماء، مما يؤثر على احتفاظه بالماء. وبشكل أكثر تحديدًا، سيؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تفكك الروابط الهيدروجينية في جزيء HPMC، مما يقلل من امتصاصه للماء وقدرته على الاحتفاظ به.
بالإضافة إلى ذلك، تنعكس حساسية HPMC للحرارة أيضًا في سلوك طور محلولها. تتميز HPMC بأوزان جزيئية مختلفة ومجموعات استبدال مختلفة بحساسيات حرارية مختلفة. بشكل عام، تتميز HPMC منخفضة الوزن الجزيئي بحساسية أعلى لدرجة الحرارة، بينما تتميز HPMC عالية الوزن الجزيئي بأداء أكثر استقرارًا. لذلك، في التطبيقات العملية، من الضروري اختيار نوع HPMC المناسب وفقًا لنطاق درجة الحرارة المحدد لضمان احتفاظها بالماء عند درجة حرارة التشغيل.
2.3 تأثير درجة الحرارة على تبخر الماء
في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، يتأثر احتباس الماء في HPMC بالتبخر المتسارع للماء الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة. عندما تكون درجة الحرارة الخارجية مرتفعة جدًا، يزداد احتمال تبخر الماء في نظام HPMC. على الرغم من قدرة HPMC على الاحتفاظ بالماء إلى حد ما بفضل بنيتها الجزيئية، إلا أن ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط قد يؤدي إلى فقدان النظام للماء بسرعة تفوق قدرة HPMC على الاحتفاظ بالماء. في هذه الحالة، يُثبط احتباس الماء في HPMC، خاصةً في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة والجافة.
للتخفيف من هذه المشكلة، أظهرت بعض الدراسات أن إضافة مرطبات مناسبة أو تعديل مكونات أخرى في التركيبة يمكن أن يُحسّن من قدرة HPMC على الاحتفاظ بالماء في بيئة ذات درجات حرارة عالية. على سبيل المثال، بتعديل مُعدّل اللزوجة في التركيبة أو اختيار مُذيب منخفض التطاير، يُمكن تحسين قدرة HPMC على الاحتفاظ بالماء إلى حد ما، مما يُقلل من تأثير ارتفاع درجة الحرارة على تبخر الماء.
3. العوامل المؤثرة
لا يعتمد تأثير درجة الحرارة على احتباس الماء في HPMC على درجة الحرارة المحيطة فحسب، بل يعتمد أيضًا على الوزن الجزيئي، ودرجة الاستبدال، وتركيز المحلول، وعوامل أخرى لـ HPMC. على سبيل المثال:
الوزن الجزيئي:HPMC تتميز المواد ذات الوزن الجزيئي الأعلى عادةً بقدرة احتفاظ أقوى بالماء، وذلك لأن البنية الشبكية التي تشكلها سلاسل الوزن الجزيئي العالية في المحلول يمكنها امتصاص الماء والاحتفاظ به بشكل أكثر فعالية.
درجة الاستبدال: تؤثر درجة مثيلة وهيدروكسي بروبيلات HPMC على تفاعلها مع جزيئات الماء، مما يؤثر على احتباس الماء. بشكل عام، يمكن لارتفاع درجة الاستبدال أن يعزز من محبة HPMC للماء، وبالتالي تحسين احتباسه للماء.
تركيز المحلول: يؤثر تركيز HPMC أيضًا على احتفاظه بالماء. عادةً ما تُحسّن التركيزات العالية من محاليل HPMC من احتفاظها بالماء، لأنها قادرة على الاحتفاظ بالماء من خلال تفاعلات بين الجزيئات أقوى.
هناك علاقة معقدة بين احتباس الماء في الجسمHPMCودرجة الحرارة. عادةً ما تُعزز درجة الحرارة المرتفعة قابلية ذوبان مركبات HPMC، وقد تُحسّن احتباس الماء، إلا أن ارتفاعها الشديد يُدمر البنية الجزيئية لمركبات HPMC، ويُقلل من قدرتها على الارتباط بالماء، وبالتالي يُؤثر على قدرتها على الاحتفاظ بالماء. لتحقيق أفضل أداء لاحتباس الماء في ظروف درجات الحرارة المختلفة، من الضروري اختيار نوع مركبات HPMC المناسب وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة، وضبط ظروف استخدامه بشكل معقول. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن للمكونات الأخرى في التركيبة واستراتيجيات التحكم في درجة الحرارة تحسين احتباس الماء لمركبات HPMC في البيئات ذات درجات الحرارة العالية إلى حد ما.
وقت النشر: ١١ نوفمبر ٢٠٢٤