Агрегація гідроксипропілцелюлози в розбавлених розчинах з іонами солей
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.6.529Ключові слова:
гiдроксипропiлцелюлоза, iони солей, агрегацiя, рiвняння Кана–ГiллiярдаАнотація
Методом математичного моделювання дослiджено кiнетику фазового переходу водного розчину гiдроксипропiлцелюлози з iонами солей. На основi нелiнiйного рiвняння Кана– Гiллiярда зi стохастичним членом, параметром гiдрофобностi та рухливiстю, що залежить вiд концентрацiї полiмера, виконано симуляцiю фазового роздiлення на простiй одновимiрнiй ґратцi Флорi. Для набору значень параметра гiдрофобностi отримано данi про змiну середнiх значень розмiрiв агрегатiв та їх маси. За результатами моделювання можна видiлити три стадiї спiнодального розпаду: ранню, промiжну й кiнцеву. Встановлено, що для промiжної й кiнцевої стадiй кiнетика зростання маси кластерiв описується скейлiнговими залежностями з показниками та часом кросовера, якi визначають перехiд вiд режиму накопичення маси агрегатiв внаслiдок ефектiв поверхневого натягу до дифузiйного режиму. Показано, що змiну середнього розмiру кластерiв можна представити скейлiнговою функцiєю з показником, близьким до 1/3, типовим для систем iз консервативним скалярним параметром порядку. Iз результатiв комп’ютерної симуляцiї випливає, що збiльшення густини мiжфазної енергiї (пiдсилення гiдрофобних взаємодiй) приводить до зростання розмiрiв полiмерних агрегатiв.
Посилання
1. F. Tanaka. Polymer Physics: Applications to Molecular Association and Thermoreversible Gelation (Cambridge University Press, 2011).
https://doi.org/10.1017/CBO9780511975691
2. R. Bayer, M. Knarr. Thermal precipitation or gelling behaviour of dissolved methylcellulose (MC) derivatives behaviour in water and influence on the extrusion of ceramic pastes. Part 1: Fundamentals of MC-derivatives. J. Eur. Ceram. Soc. 32, 1007 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2011.11.025
3. Y. Tian, Y. Liu, B. Ju, X. Ren, M. Dai. Thermoresponsive 2-hydroxy-3-isopropoxypropyl hydroxyethyl cellulose with tunable LCST for drug delivery. RSC Adv. 9, 2268 (2019).
https://doi.org/10.1039/C8RA09075K
4. M Gosecki, H. Setälä, T. Virtanen, A.J. Ryan. A facile method to control the phase behavior of hydroxypropyl cellulose. Carbohydr. Polym. 251, 117015 (2021).
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117015
5. Z. Zhang, L. Chen, C. Zhao, Y. Bai, M. Deng, H. Shan, X. Zhuang, X. Chen, X. Jing. Thermo- and pH-responsive HPC-g-AA/AA hydrogels for controlled drug delivery applications. Polymer 52, 676 (2011).
https://doi.org/10.1016/j.polymer.2010.12.048
6. Y. Bai, Z. Zhang, A. Zhang, L. Chen, C. He, X. Zhuang, X. Chen. Novel thermo- and pH-responsive hydroxypropyl cellulose- and poly (l-glutamic acid)-based microgels for oral insulin controlled release. Carbohydr. Polym. 89, 1207 (2012).
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2012.03.095
7. X. Qiu, S. Hu. "Smart" materials based on cellulose: A review of the preparations, properties, and applications. Materials 6, 738 (2013).
https://doi.org/10.3390/ma6030738
8. F. Ofridam, M. Tarhini, N. Lebaz, É. Gagnière, D. Mangin, A. Elaissari. pH-sensitive polymers: Classification and some fine potential applications. Polym. Adv. Technol. 32, 1455 (2021).
https://doi.org/10.1002/pat.5230
9. Y. Xu, C. Wang, K.C. Tam, L. Li. Salt-assisted and salt-suppressed sol-gel transitions of methylcellulose in water. Langmuir 20, 646 (2004).
https://doi.org/10.1021/la0356295
10. Y. Xu, L. Li, P. Zheng, Y.C. Lam, X. Hu. Controllable gelation of methylcellulose by a salt mixture. Langmuir 20, 6134 (2004).
https://doi.org/10.1021/la049907r
11. P. Zheng, L. Li, X. Hu, X. Zhao. Sol-gel transition of methylcellulose in phosphate buffer saline solutions. J. Polym. Sci. B Polym. Phys. 42, 1849 (2004).
https://doi.org/10.1002/polb.20070
12. M. Lazarenko, A. Alekseev, Yu. Zabashta, S. Tkachev, V. Kovalchuk, D. Andrusenko, Yu. Grabovsky, L. Bulavin. Estimation of water content in cellulose materials. Cellul. Chem. Technol. 54, 199 (2020).
13. E. Weißenborn, B. Braunschweig. Hydroxypropyl cellulose as a green polymer for thermo-responsive aqueous foams. Soft Matter 15, 2876 (2019).
https://doi.org/10.1039/C9SM00093C
14. B. Nyström, J. Roots, A. Carlsson, B. Lindman. Light scattering studies of the gelation process in an aqueous system of a non-ionic polymer and a cationic surfactant. Polymer 33, 2875 (1992).
https://doi.org/10.1016/0032-3861(92)90071-4
15. S.C. Joshi. Sol-gel behavior of hydroxypropyl methylcellulose (HPMC) in ionic media including drug release. Materials 4, 1861 (2011).
https://doi.org/10.3390/ma4101861
16. M. Fettaka, R. Issaadi, N. Moulai-Mostefa, I. Dez, D. Le Cerf, L. Picton. Thermo sensitive behavior of cellulose derivatives in dilute aqueous solutions: From macroscopic to mesoscopic scale. J. Colloid Interface Sci. 357, 372 (2011).
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.02.041
17. N. Almeida, L. Rakesh, J. Zhao. Monovalent and divalent salt effects on thermogelation of aqueous hypromellose solutions. Food Hydrocoll. 36, 323 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2013.10.020
18. M. Lazarenko, S. Nedilko, S. Gryn, V. Scherbatskyi, V. Kovalchuk, M. Lazarenko, A. Sobchuk, D. Andrusenko, O. Alekseev. Influence of Na+ and Cl− ions on the properties of hydroxypropyl cellulose solutions. In Proceedings of the 41st IEEE International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), Kyiv, Ukraine, October 10-14, 2022 (Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, 2022), p. 418.
https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927040
19. M.M. Lazarenko, O.M. Alekseev, S.G. Nedilko, A.O. Sobchuk, V.I. Kovalchuk, S.V. Gryn, V.P. Scherbatskyi, S.Yu. Tkachev, D.A. Andrusenko, E.G. Rudnikov, A.V. Brytan, K.S. Yablochkova, E.A. Lysenkov, R.V. Dinzhos, T. Sabu, T.R. Abraham. Impact of the alkali metals ions on the dielectric relaxation and phase transitions in water solutions of the hydroxypropylcellulose. In: NANO 2022: Nanoelectronics, Nanooptics, Nanochemistry and Nanobiotechnology, and Their Applications, Lviv, Ukraine, August 25-27, 2022 (Springer, 2023), p. 37.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-42708-4_3
20. L.A. Bulavin, N.I. Lebovka, Yu.A. Kyslyi, S.V. Khrapatyi, A.I. Goncharuk, I.A. Mel'nyk, V.I. Koval'chuk. Microstructural, rheological, and conductometric studies of multiwalled carbon nanotube suspensions in glycerol. Ukr. J. Phys. 56, 217 (2011).
21. M. Stoian, T. Maurer, S. Lamri, I. Fechete. Techniques of preparation of thin films: Catalytic combustion. Catalysts 11, 1530 (2021).
https://doi.org/10.3390/catal11121530
22. A. Salama, R.E. Abouzeid, M.E. Owda, I. Cruz-Maya, V. Guarino. Cellulose-silver composites materials: Preparation and applications. Biomolecules 11, 1684 (2021).
https://doi.org/10.3390/biom11111684
23. G. Biliuta, A.-C. Bostănaru-Iliescu, M. Mareș, C. Pavlov-Enescu, V. Năstasă, O. Burduniuc, S. Coseri. Antibacterial and antifungal silver nanoparticles with tunable size embedded in various cellulose-based matrices. Molecules 27, 6680 (2022).
https://doi.org/10.3390/molecules27196680
24. A.R. Khokhlov, E.E. Dormidontova. Self-organization in ion-containing polymer systems. Phys.-Uspekhi 40, 109 (1997).
https://doi.org/10.1070/PU1997v040n02ABEH000191
25. V.I. Kovalchuk, Yu.F. Zabashta, L.A. Bulavin. Features of gelation and aggregation in aqueous solutions of hydroxypropyl cellulose with NaCl, NaI, and AgNO3 salts. Ukr. J. Phys. 69, 207 (2024).
https://doi.org/10.15407/ujpe69.3.207
26. Yu.F. Zabashta, V.I. Kovalchuk, S.V. Gryn. Phase transition and microgel formation in polymer solutions with salt ions. Ukr. J. Phys. 70, 200 (2025).
https://doi.org/10.15407/ujpe70.3.200
27. J.P.A. Fairclough, H. Yu, O. Kelly, A.J. Ryan, R.L. Sammler, M. Radler. Interplay between gelation and phase separation in aqueous solutions of methylcellulose and hydroxypropylmethylcellulose. Langmuir 28, 10551 (2012).
https://doi.org/10.1021/la300971r
28. N. Sarkar. Thermal gelation properties of methyl and hydroxypropyl methylcellulose. J. Appl. Polym. Sci. 24, 1073 (1979).
https://doi.org/10.1002/app.1979.070240420
29. H. Takeshita, K. Saito, M. Miya, K. Takenaka, T. Shiomi. Laser speckle analysis on correlation between gelation and phase separation in aqueous methyl cellulose solutions. J. Polym. Sci. B. 48, 168 (2010).
https://doi.org/10.1002/polb.21885
30. M.A. Villetti, V. Soldi, C. Rochas, R. Borsali. Phase-separation kinetics and mechanism in a methylcellulose/salt aqueous solution studied by time-resolved small-angle light scattering (SALS). Macromol. Chem. Phys. 212, 1063 (2011).
https://doi.org/10.1002/macp.201000697
31. V.P. Skripov, A.V. Skripov. Spinodal decomposition (phase transitions via unstable states). Sov. Phys. Usp. 22, 389 (1979).
https://doi.org/10.1070/PU1979v022n06ABEH005571
32. J.W. Cahn, J.E. Hilliard. Free energy of a nonuniform system. I. Interfacial free energy. J. Chem. Phys. 28, 258 (1958).
https://doi.org/10.1063/1.1744102
33. J. Cahn. On spinodal decomposition. Acta Metall. 9, 795 (1961).
https://doi.org/10.1016/0001-6160(61)90182-1
34. S.C. Glotzer, W. Paul. Molecular and mesoscale simulation methods for polymer materials. Annu. Rev. Mater. Res. 32, 401 (2002).
https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.32.010802.112213
35. D. Lee, J.-Y. Huh, D. Jeong, J. Shin, A. Yun, J. Kim. Physical, mathematical, and numerical derivations of the Cahn-Hilliard equation. Comput. Mater. Sci. 81, 216 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.08.027
36. P.E. L'vov, V.V. Svetukhin. Simulation of the decomposition of binary alloys on the basis of the free energy density functional method. Phys. Solid State 59, 335 (2017).
https://doi.org/10.1134/S1063783417020160
37. X. Li, G. Ji, H. Zhang. Phase transitions of macromolecular microsphere composite hydrogels based on the stochastic Cahn-Hilliard equation. J. Comput. Phys. 283, 81 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.jcp.2014.11.032
38. P.G. de Gennes. Dynamics of fluctuations and spinodal decomposition in polymer blends. J. Chem. Phys. 72, 4756 (1980).
https://doi.org/10.1063/1.439809
39. P.J. Flory. Principles of Polymer Chemistry (Cornell University Press, 1953) [ISBN: 978-0801401343].
40. L.D. Landau, E.M. Lifshitz. Course of Theoretical Physics, Vol. 5: Statistical Physics (Butterworth-Heinemann, 1980) [ISBN: 978-0750633727].
41. M.L. Huggins. Physical Chemistry of High Polymers (Literary Licensing LLC, 2013) [ISBN: 978-1258783365].
42. V.I. Kovalchuk. Phase separation dynamics in aqueous solutions of thermoresponsive polymers. Cond. Matt. Phys. 24, 43601 (2021).
https://doi.org/10.5488/CMP.24.43601
43. R.A. Orwoll, P.A. Arnold. Polymer-Solvent Interaction Parameter χ. In: Physical Properties of Polymers Handbook (Springer-Verlag, 2007), Ch. 14, p. 233 [ISBN: 978-0387312354].
https://doi.org/10.1007/978-0-387-69002-5_14
44. Hydroxypropyl Cellulose. Available online: https://www.chemsrc.com/en/cas/9004-64-2_1198776.html (accessed on September 03, 2025).
45. E.D. Siggia. Late stages of spinodal decomposition in binary mixtures. Phys. Rev. A 20, 595 (1979).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.20.595
46. F. Georget, W. Wilson, T. Matschei. Long-term extrapolation of chloride ingress: An illustration of the feasibility and pitfalls of the square root law. Cem. Concr. Res. 170, 107187 (2023).
https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2023.107187
47. Bray A.J., Rutenberg A.D. Growth laws for phase ordering. Phys. Rev. E 49, R27 (1994).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.49.R27
48. Lifshitz I.M., Slyozov V.V. The kinetics of precipitation from supersaturated solid solutions. J. Phys. Chem. Solids 19, 35 (1961).
https://doi.org/10.1016/0022-3697(61)90054-3
49. Bray A.J. Domain-growth scaling in systems with long-range interactions. Phys. Rev. E 47, 3191 (1993).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
