CMC celuloza i karakterizacija njene strukture

Koristeći slamnatu celulozu kao sirovinu, modificirana je eterifikacijom. Jednofaktorskim i rotacionim testom utvrđeni su optimalni uslovi za pripremu karboksimetil celuloze: vreme eterifikacije 100min, temperatura eterifikacije 70℃, doza NaOH 3,2g i doza monohloroctene kiseline 3,0g, maksimalna supstitucija Stepen je 0,53.

Ključne riječi: CMCceluloza; monohloroctena kiselina; eterifikacija; modifikacija

Karboksimetil celulozaje najprodavaniji celulozni etar na svijetu. Široko se koristi u deterdžentima, hrani, pastama za zube, tekstilu, štampi i bojanju, proizvodnji papira, nafti, rudarstvu, medicini, keramici, elektronskim komponentama, gumi, bojama, pesticidima, kozmetici, koži, plastici i bušenju ulja, itd. kao „industrijski mononatrijum glutamat“. Karboksimetil celuloza je derivat celuloznog etera rastvorljiv u vodi dobijen hemijskom modifikacijom prirodne celuloze. Celuloza, glavna sirovina za proizvodnju karboksimetil celuloze, jedan je od najzastupljenijih prirodnih obnovljivih resursa na zemlji, sa godišnjom proizvodnjom od stotine milijardi tona. moja zemlja je velika poljoprivredna zemlja i jedna od zemalja sa najbogatijim resursima slame. Slama je oduvijek bila jedno od glavnih životnih goriva za seoske stanovnike. Ovi resursi se dugo nisu racionalno razvijali, a godišnje se u svijetu koristi manje od 2% poljoprivrednog i šumskog otpada poput slame. Pirinač je glavna ekonomska kultura u provinciji Heilongjiang, sa površinom zasada većom od 2 miliona hm2, godišnjom proizvodnjom od 14 miliona tona pirinča i 11 miliona tona slame. Poljoprivrednici ih uglavnom sagorevaju direktno u polju kao otpad, što ne samo da predstavlja ogroman gubitak prirodnih resursa, već i uzrokuje ozbiljno zagađenje životne sredine. Stoga je ostvarivanje korišćenja resursa slame potreba strategije održivog razvoja poljoprivrede.

1. Eksperimentalni materijali i metode

1.1 Eksperimentalni materijali i oprema

Celuloza od slame, samostalno izrađena u laboratoriji; JJ～1 tip električni mikser, tvornica eksperimentalnih instrumenata Jintan Guowang; SHZW2C tip RS—Vakum pumpa, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pHS-3C pH metar, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A električno grijanje pećnica za sušenje konstantne temperature, Peking North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; HITACHI-S ~ 3400N skenirajući elektronski mikroskop, Hitachi Instruments; etanol; natrijum hidroksid; hloroctenu kiselinu itd. (gore navedeni reagensi su analitički čisti).

1.2 Eksperimentalna metoda

1.2.1 Priprema karboksimetil celuloze

(1) Metoda pripreme karboksimetil celuloze: Odvažite 2 g celuloze u tikvicu sa tri grla, dodajte 2,8 g NaOH, 20 mL 75% rastvora etanola i potopite u lužinu u vodenom kupatilu konstantne temperature na 25°C 80 min. Umutiti mikserom da se dobro sjedini. Tokom ovog procesa, celuloza reaguje sa alkalnim rastvorom i formira alkalnu celulozu. U fazi eterifikacije dodajte 10 mL 75% rastvora etanola i 3 g hloroctene kiseline u bocu sa tri grla koja je gore reagovala, podignite temperaturu na 65-70° C., i reagovati 60 minuta. Dodati alkaliju po drugi put, a zatim dodati 0,6 g NaOH u gornju reakcionu tikvicu kako bi se temperatura održala na 70°C, a vrijeme reakcije je 40 minuta da se dobije sirovi Na—CMC (natrijum karboksimetilceluloza).

Neutralizacija i pranje: dodati 1moL·L-1 hlorovodonične kiseline, i neutralisati reakciju na sobnoj temperaturi do pH=7~8. Zatim dva puta isperite sa 50% etanolom, zatim jednom operite sa 95% etanolom, filtrirajte sa usisom i osušite na 80-90°C 2 sata.

(2) Određivanje stepena zamjene uzorka: metoda određivanja mjerača kiselosti: Izvagati 0,2 g (sa preciznošću do 0,1 mg) pročišćenog i osušenog uzorka Na-CMC, otopiti ga u 80 mL destilovane vode, miješati elektromagnetski 10 minuta i podesiti to kiselinom ili alkalijom. Otopina je dovela pH otopine na 8. Zatim titrirajte ispitnu otopinu standardnom otopinom sumporne kiseline u čaši opremljenoj elektrodom za pH metar i promatrajte indikaciju pH metra dok titrirate dok pH ne bude 3.74. Zabilježite količinu korištene standardne otopine sumporne kiseline.

1.2.2 Metoda ispitivanja jednog faktora

(1) Uticaj količine lužine na stepen supstitucije karboksimetil celuloze: alkalizaciju izvršiti na 25℃, alkalno uranjanje 80 minuta, koncentracija u rastvoru etanola je 75%, kontrolisati količinu reagensa monohloroctene kiseline 3g, temperatura eterifikacije je 65 ~70°C, vrijeme eterifikacije je 100 minuta, a količina natrijum hidroksida je promijenjena za test.

(2) Uticaj koncentracije rastvora etanola na stepen supstitucije karboksimetil celuloze: količina fiksirane lužine je 3,2g, alkalno potapanje u vodeno kupatilo konstantne temperature na 25°C 80min, koncentracija rastvora etanola je 75%, količina reagensa monohloroctene kiseline se kontroliše na 3g, eterifikacija Temperatura je 65-70°C, vrijeme eterifikacije je 100 min, a koncentracija otopine etanola se mijenja za eksperiment.

(3) Učinak količine monohloroctene kiseline na stepen supstitucije karboksimetil celuloze: fiksirati na 25°C za alkalizaciju, potopiti u lužinu 80 minuta, dodati 3,2g natrijum hidroksida da bi koncentracija rastvora etanola bila 75%, eter Temperatura je 65~70°C, vrijeme eterifikacije je 100 min, a količina monohloroctene kiseline se mijenja za eksperiment.

(4) Utjecaj temperature eterifikacije na stepen supstitucije karboksimetil celuloze: fiksirati na 25°C za alkalizaciju, potopiti u lužinu 80 minuta, dodati 3,2g natrijum hidroksida da bi koncentracija rastvora etanola bila 75%, temperatura eterifikacije Temperatura je 65~70℃, vrijeme eterifikacije je 100 min, a eksperiment se izvodi promjenom doze monohloroctene kiseline.

(5) Uticaj vremena eterifikacije na stepen supstitucije karboksimetil celuloze: fiksirano na 25°C za alkalizaciju, dodano 3,2 g natrijum hidroksida, i natopljeno u lužini 80 min da bi koncentracija rastvora etanola bila 75%, i kontrolisanog monohlor. Doziranje reagensa sirćetne kiseline je 3g, temperatura eterifikacije je 65~70°C, a vrijeme eterifikacije je promijenjeno za eksperiment.

1.2.3 Plan ispitivanja i optimizacija karboksimetil celuloze

Na osnovu eksperimenta sa jednim faktorom dizajniran je kombinovani eksperiment kvadratne regresije ortogonalne rotacije sa četiri faktora i pet nivoa. Četiri faktora su vrijeme eterifikacije, temperatura eterifikacije, količina NaOH i količina monohlorsirćetne kiseline. Za obradu podataka koristi se statistički softver SAS8.2 za obradu podataka, koji otkriva odnos između svakog faktora koji utiče i stepena supstitucije karboksimetil celuloze. unutrašnji zakon.

1.2.4 Metoda SEM analize

Osušeni uzorak praha fiksiran je na stepenu uzorka provodljivim ljepilom, a nakon vakuumskog prskanja zlata, promatran je i fotografiran pod Hitachi-S-3400N Hitachi skenirajućim elektronskim mikroskopom.

2. Rezultati i analiza

2.1. Utjecaj pojedinačnog faktora na stepen supstitucije karboksimetil celuloze

2.1.1 Utjecaj količine alkalija na stepen supstitucije karboksimetil celuloze

Kada se NaOH3,2g doda u 2g celuloze, stepen supstitucije proizvoda je najveći. Količina NaOH je smanjena, što nije dovoljno da se formira neutralizacija alkalne celuloze i agensa za eterifikaciju, a proizvod ima mali stepen supstitucije i nisku viskoznost. Naprotiv, ako je količina NaOH prevelika, nuspojave tokom hidrolize hloroctene kiseline će se povećati, potrošnja eterifikatora će se povećati, a viskozitet proizvoda će se takođe smanjiti.

2.1.2 Utjecaj koncentracije otopine etanola na stepen supstitucije karboksimetil celuloze

Dio vode u otopini etanola postoji u reakcionom mediju izvan celuloze, a drugi dio postoji u celulozi. Ako je sadržaj vode prevelik, CMC će nabubriti u vodi i formirati žele tokom eterifikacije, što rezultira vrlo neujednačenom reakcijom; ako je sadržaj vode premali, reakcija će se teško odvijati zbog nedostatka reakcionog medija. Generalno, 80% etanol je najprikladniji rastvarač.

2.1.3 Utjecaj doze monohloroctene kiseline na stepen supstitucije karboksimetil celuloze

Količina monohloroctene kiseline i natrijum hidroksida je teoretski 1:2, ali da bi se reakcija pomerila u pravcu stvaranja CMC, obezbedite da u reakcionom sistemu postoji odgovarajuća slobodna baza, tako da karboksimetilacija može da se odvija glatko. Iz tog razloga je usvojena metoda viška alkalija, odnosno molarni odnos kiselih i alkalnih supstanci je 1:2,2.

2.1.4 Utjecaj temperature eterifikacije na stepen supstitucije karboksimetil celuloze

Što je viša temperatura eterifikacije, to je brža brzina reakcije, ali su i nuspojave ubrzane. Iz perspektive hemijske ravnoteže, porast temperature je nepovoljan za formiranje CMC, ali ako je temperatura preniska, brzina reakcije je spora i stopa iskorišćenja agensa za eterifikaciju je niska. Vidi se da je optimalna temperatura za eterifikaciju 70°C.

2.1.5 Utjecaj vremena eterifikacije na stepen supstitucije karboksimetil celuloze

Sa povećanjem vremena eterifikacije povećava se stepen supstitucije CMC, a brzina reakcije se ubrzava, ali nakon određenog vremena nuspojave se povećavaju i stepen supstitucije se smanjuje. Kada je vrijeme eterifikacije 100 min, stepen supstitucije je maksimalan.

2.2 Rezultati ortogonalnog ispitivanja i analiza karboksimetil grupa

Iz tabele analize varijanse se može vidjeti da u primarnoj stavci četiri faktora vremena eterifikacije, temperature eterifikacije, količine NaOH i količine monohloroctene kiseline imaju veoma značajan uticaj na stepen supstitucije karboksimetil celuloze (p <0,01) . Među interakcijskim stavkama, vrlo značajan uticaj na stepen supstitucije karboksimetil celuloze (p<0,01) imale su interakcijske stavke vremena eterifikacije i količine monohlorsirćetne kiseline, te interakcije temperature eterifikacije i količine monohlorsirćetne kiseline. Redoslijed utjecaja različitih faktora na stepen supstitucije karboksimetil celuloze je bio: temperatura eterifikacije>količina monohlorosirćetne kiseline>vrijeme eterifikacije>količina NaOH.

Nakon analize rezultata ispitivanja dizajna kombinacije ortogonalne rotacije kvadratne regresije, može se utvrditi da su optimalni procesni uslovi za modifikaciju karboksimetilacije: vrijeme eterifikacije 100 min, temperatura eterifikacije 70℃, doza NaOH 3,2g i monohlorosirćetna kiselina Doza je 3,0g, a maksimalni stepen supstitucije je 0,53.

2.3 Mikroskopska karakterizacija performansi

Morfologija površine celuloze, karboksimetil celuloze i umreženih čestica karboksimetil celuloze proučavana je skenirajućim elektronskim mikroskopom. Celuloza raste u obliku trake sa glatkom površinom; rub karboksimetil celuloze je grublji od ruba ekstrahirane celuloze, a struktura šupljine se povećava i volumen postaje veći. To je zato što struktura snopa postaje veća zbog bubrenja karboksimetil celuloze.

3. Zaključak

3.1 Priprema karboksimetil eterifikovane celuloze Redosled važnosti četiri faktora koji utiču na stepen supstitucije celuloze je: temperatura eterifikacije > doza monohlorsirćetne kiseline > vreme eterifikacije > doza NaOH. Optimalni procesni uslovi modifikacije karboksimetilacije su vreme eterifikacije 100min, temperatura eterifikacije 70℃, doza NaOH 3,2 g, doza monohlorosirćetne kiseline 3,0 g i maksimalni stepen supstitucije 0,53.

3.2 Optimalni tehnološki uslovi modifikacije karboksimetilacije su: vreme eterifikacije 100min, temperatura eterifikacije 70℃, doza NaOH 3,2g, doza monohlorosirćetne kiseline 3,0g, maksimalni stepen supstitucije 0,53.