Sinteza i karakterizacija reduktora vode butan sulfonat celuloznog etera

Kao sirovina korišćena je mikrokristalna celuloza (MCC) sa određenim stepenom polimerizacije dobijena kiselom hidrolizom celulozne pamučne pulpe. Pod aktivacijom natrijum hidroksida, reagovao je sa 1,4-butan sultonom (BS) da bi se dobio. Razvijen je celulozni butil sulfonat (SBC) reduktor vode dobre rastvorljivosti u vodi. Strukturu proizvoda karakteriziraju infracrvena spektroskopija (FT-IR), spektroskopija nuklearne magnetne rezonance (NMR), skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM), difrakcija rendgenskih zraka (XRD) i druge analitičke metode, te stepen polimerizacije, omjer sirovina, i istražena je reakcija MCC-a. Utjecaj uvjeta sintetičkog procesa kao što su temperatura, vrijeme reakcije i vrsta suspendirajućeg agensa na učinak smanjenja vode proizvoda. Rezultati pokazuju da: kada je stepen polimerizacije sirovog materijala MCC 45, maseni odnos reaktanata je: AGU (jedinica celuloznog glukozida): n (NaOH): n (BS) = 1,0: 2,1: 2,2, suspendirajući agens je izopropanol, vrijeme aktivacije sirovine na sobnoj temperaturi je 2 h, a vrijeme sinteze proizvoda je 5 h. Kada je temperatura 80°C, dobijeni proizvod ima najveći stepen supstitucije grupa butansulfonske kiseline, a proizvod ima najbolje performanse redukcije vode.

Ključne riječi:celuloza; celulozni butilsulfonat; sredstvo za redukciju vode; performanse smanjenja vode

1、Uvod

Superplastifikator za beton je jedna od nezamjenjivih komponenti modernog betona. Upravo zbog pojave sredstva za redukciju vode može se zajamčiti visoka obradivost, dobra postojanost, pa čak i visoka čvrstoća betona. Trenutno široko korišteni visokoefikasni reduktori vode uglavnom uključuju sljedeće kategorije: reduktor vode na bazi naftalena (SNF), reduktor vode na bazi sulfonirane melaminske smole (SMF), reduktor vode na bazi sulfamata (ASP), modificirani lignosulfonatni superplastifikator ( ML) i polikarboksilatni superplastifikator (PC) koji se trenutno aktivnije istražuje. Analizirajući proces sinteze reduktora vode, većina prethodnih tradicionalnih reduktora kondenzatne vode koristi formaldehid jakog oštrog mirisa kao sirovinu za reakciju polikondenzacije, a proces sulfoniranja se općenito provodi s visoko korozivnom dimećom sumpornom kiselinom ili koncentriranom sumpornom kiselinom. To će neminovno uzrokovati štetne efekte na radnike i okolinu, a također će stvoriti veliku količinu otpadnih ostataka i otpadne tekućine, što nije pogodno za održivi razvoj; međutim, iako polikarboksilatni reduktori vode imaju prednosti malog gubitka betona tokom vremena, niske doze, dobrog protoka, ima prednosti visoke gustoće i nema toksičnih supstanci kao što je formaldehid, ali ga je teško promovirati u Kini zbog visoke gustine. cijena. Iz analize izvora sirovina nije teško utvrditi da se većina navedenih reduktora vode sintetizira na bazi petrokemijskih proizvoda/nusproizvoda, dok je nafta, kao neobnovljivi resurs, sve oskudnija i njegova cijena stalno raste. Stoga je kako iskoristiti jeftine i bogate prirodne obnovljive resurse kao sirovine za razvoj novih superplastifikatora betona visokih performansi postao važan smjer istraživanja za superplastifikatore betona.

Celuloza je linearna makromolekula nastala povezivanjem mnogih D-glukopiranoza sa β-(1-4) glikozidnim vezama. Na svakom glukopiranozilnom prstenu postoje tri hidroksilne grupe. Pravilnim tretmanom može se postići određena reaktivnost. U ovom radu kao početna sirovina korišćena je celulozna pamučna pulpa, a nakon kisele hidrolize da bi se dobila mikrokristalna celuloza sa odgovarajućim stepenom polimerizacije, aktivirana je natrijum hidroksidom i reagovala sa 1,4-butan sultonom da bi se dobila butil sulfonatna kiselina. superplastifikator celuloznog etera, te su razmotreni faktori koji utiču na svaku reakciju.

2. Eksperimentirajte

2.1 Sirovine

Celulozna pamučna pulpa, stepen polimerizacije 576, Xinjiang Aoyang Technology Co., Ltd.; 1,4-butan sulton (BS), industrijskog kvaliteta, proizvodi Shanghai Jiachen Chemical Co., Ltd.; 52.5R obični Portland cement, Urumqi Obezbeđuje fabrika cementa; Kina ISO standardni pijesak, proizveden od strane Xiamen Ace Ou Standard Sand Co., Ltd.; natrijum hidroksid, hlorovodonična kiselina, izopropanol, bezvodni metanol, etil acetat, n-butanol, petrolej etar, itd., svi su analitički čisti, komercijalno dostupni.

2.2 Eksperimentalna metoda

Izvagati određenu količinu pamučne pulpe i dobro je samljeti, staviti u bocu s tri grla, dodati određenu koncentraciju razrijeđene hlorovodonične kiseline, miješati da se zagrije i hidrolizira određeno vrijeme, ohladiti na sobnu temperaturu, filtrirati, oprati vodom dok ne bude neutralna i osušiti vakuumom na 50°C da se dobije Nakon što dobijete mikrokristalne celulozne sirovine sa različitim stepenom polimerizacije, izmerite njihov stepen polimerizacije prema literaturi, stavite u reakcijsku bocu sa tri grla, suspendujte sa suspendirajuće sredstvo 10 puta veće od njegove mase, uz miješanje dodati određenu količinu vodenog rastvora natrijum hidroksida, promiješati i aktivirati na sobnoj temperaturi određeno vrijeme, dodati izračunatu količinu 1,4-butan sultona (BS), zagrijati na temperaturu reakcije, reaguje na konstantnoj temperaturi tokom određenog vremenskog perioda, ohladi proizvod na sobnu temperaturu i dobije sirovi proizvod usisnom filtracijom. Isprati vodom i metanolom 3 puta, te filtrirati usisavanjem kako bi se dobio konačni proizvod, odnosno celulozni butilsulfonat reduktor vode (SBC).

2.3 Analiza i karakterizacija proizvoda

2.3.1 Određivanje sadržaja sumpora u proizvodu i izračunavanje stepena supstitucije

Elementarni analizator FLASHEA-PE2400 je korišten za provođenje elementarne analize osušenog celuloznog butil sulfonatnog proizvoda redukcije vode za određivanje sadržaja sumpora.

2.3.2 Određivanje fluidnosti maltera

Izmjereno prema 6.5 u GB8076-2008. Odnosno, prvo izmjerite mješavinu voda/cement/standardni pijesak na NLD-3 testeru fluidnosti cementnog maltera kada je promjer ekspanzije (180±2)mm. cementa, izmjerena referentna potrošnja vode je 230g), a zatim u vodu dodajte sredstvo za redukciju vode čija je masa 1% mase cementa, prema cement/sredstvo za redukciju vode/standardna voda/standardni pijesak=450g/4,5g/ 230 g/ Omjer od 1350 g stavlja se u miješalicu za cementni malter JJ-5 i ravnomjerno miješa, te se mjeri prošireni prečnik maltera na testeru fluidnosti maltera, što je izmerena fluidnost maltera.

2.3.3 Karakterizacija proizvoda

Uzorak je okarakterisan FT-IR pomoću infracrvenog spektrometra EQUINOX 55 tipa Fourier sa transformacijom kompanije Bruker; H NMR spektar uzorka karakteriziran je INOVA ZAB-HS plugom supravodljivim instrumentom nuklearne magnetne rezonance kompanije Varian; Morfologija proizvoda je promatrana pod mikroskopom; XRD analiza je izvršena na uzorku pomoću rendgenskog difraktometra kompanije MAC M18XHF22-SRA.

3. Rezultati i diskusija

3.1 Rezultati karakterizacije

3.1.1 Rezultati FT-IR karakterizacije

Infracrvena analiza je izvršena na sirovini mikrokristalne celuloze sa stepenom polimerizacije Dp=45 i na proizvodu SBC sintetizovanom iz ove sirovine. Pošto su apsorpcioni vrhovi SC i SH veoma slabi, nisu pogodni za identifikaciju, dok S=O ima jak apsorpcioni vrh. Stoga, postoji li grupa sulfonske kiseline u molekularnoj strukturi može se utvrditi potvrdom postojanja S=O pika. Očigledno, u celuloznom spektru postoji jak apsorpcioni vrh na talasnom broju od 3344 cm-1, koji se pripisuje vrhuncu vibracije hidroksilnog istezanja u celulozi; jači apsorpcioni vrh na talasnom broju od 2923 cm-1 je vrhunac istezanja metilena (-CH2). Vibration peak; serija traka sastavljena od 1031, 1051, 1114 i 1165 cm-1 odražava apsorpcioni vrhunac hidroksilne istezne vibracije i apsorpcioni vrh vibracije savijanja etarske veze (COC); talasni broj 1646cm-1 odražava vodonik formiran od hidroksila i slobodne vode. Vrh apsorpcije veze; pojas od 1432~1318cm-1 odražava postojanje kristalne strukture celuloze. U IR spektru SBC-a slabi intenzitet pojasa 1432~1318cm-1; dok se intenzitet apsorpcionog maksimuma na 1653 cm-1 povećava, što ukazuje da je sposobnost formiranja vodoničnih veza ojačana; 1040, 605cm-1 se pojavljuju jači apsorpcioni vrhovi, a ova dva se ne odražavaju u infracrvenom spektru celuloze, prvi je karakterističan apsorpcioni pik veze S=O, a drugi je karakterističan apsorpcioni vrh SO veze. Na osnovu navedene analize može se vidjeti da nakon reakcije eterifikacije celuloze u njenom molekularnom lancu postoje grupe sulfonske kiseline.

3.1.2 H NMR rezultati karakterizacije

H NMR spektar celuloznog butil sulfonata može se vidjeti: unutar γ=1,74~2,92 je hemijski pomak protona vodonika ciklobutila, a unutar γ=3,33~4,52 je jedinica celulozne anhidroglukoze. Hemijski pomak protona kisika u γ=4. ~6 je hemijski pomak metilenskog protona u grupi butilsulfonske kiseline koja je povezana sa kiseonikom, i nema pika na γ=6~7, što ukazuje da proizvod nije Drugi protoni postoje.

3.1.3 Rezultati SEM karakterizacije

SEM promatranje celulozne pamučne pulpe, mikrokristalne celuloze i produkta celuloznog butilsulfonata. Analizom rezultata SEM analize celulozne pamučne pulpe, mikrokristalne celuloze i proizvoda celuloze butansulfonata (SBC), utvrđeno je da mikrokristalna celuloza dobijena hidrolizom sa HCL može značajno promijeniti strukturu celuloznih vlakana. Vlaknasta struktura je uništena, a dobivene su fine aglomerirane čestice celuloze. SBC dobijen daljom reakcijom sa BS nije imao vlaknastu strukturu i u osnovi se transformirao u amorfnu strukturu, što je pogodovalo njegovom rastvaranju u vodi.

3.1.4 Rezultati XRD karakterizacije

Kristaliničnost celuloze i njenih derivata odnosi se na postotak kristalnog područja formiranog strukturom celulozne jedinice u cjelini. Kada celuloza i njeni derivati ​​prolaze kroz hemijsku reakciju, vodonične veze u molekulu i između molekula se razaraju, a kristalno područje će postati amorfno područje, čime se smanjuje kristalnost. Stoga je promjena kristalnosti prije i poslije reakcije mjera celuloze Jedan od kriterija za sudjelovanje u odgovoru ili ne. XRD analiza je izvršena na mikrokristalnoj celulozi i produktu celuloza butansulfonat. Poređenjem se može vidjeti da se nakon eterifikacije kristalnost iz temelja mijenja, a proizvod se potpuno transformirao u amorfnu strukturu, tako da se može otopiti u vodi.

3.2 Utjecaj stepena polimerizacije sirovina na učinak smanjenja vode proizvoda

Fluidnost maltera direktno odražava učinak proizvoda na smanjenje vode, a sadržaj sumpora u proizvodu je jedan od najvažnijih faktora koji utiče na fluidnost maltera. Fluidnost maltera mjeri učinak proizvoda u smanjenju vode.

Nakon promjene uslova reakcije hidrolize za pripremu MCC-a sa različitim stupnjevima polimerizacije, prema gore navedenoj metodi, odaberite određeni proces sinteze za pripremu SBC proizvoda, izmjerite sadržaj sumpora da biste izračunali stepen supstitucije proizvoda i dodajte SBC proizvode u vodu /cement/standardni sistem za mešanje peska Izmerite fluidnost maltera.

Iz eksperimentalnih rezultata se vidi da je u okviru istraživačkog opsega, kada je stepen polimerizacije mikrokristalne celulozne sirovine visok, sadržaj sumpora (stepen supstitucije) u proizvodu i fluidnost maltera niski. To je zato što: molekularna težina sirovine je mala, što pogoduje ujednačenom miješanju sirovine i prodiranju agensa za eterifikaciju, čime se poboljšava stupanj eterifikacije proizvoda. Međutim, stopa redukcije vode u proizvodu ne raste pravolinijski sa smanjenjem stepena polimerizacije sirovina. Eksperimentalni rezultati pokazuju da je fluidnost maltera mešavine cementnog maltera pomešanog sa SBC pripremljenom upotrebom mikrokristalne celuloze sa stepenom polimerizacije Dp<96 (molekulska težina<15552) veća od 180 mm (što je veće od one bez reduktora vode). . referentna fluidnost), što ukazuje da se SBC može pripremiti upotrebom celuloze s molekulskom težinom manjom od 15552 i može se postići određena brzina redukcije vode; SBC se priprema korišćenjem mikrokristalne celuloze sa stepenom polimerizacije 45 (molekulska masa: 7290), a dodanom u betonsku mešavinu, izmerena fluidnost maltera je najveća, pa se smatra da je celuloza sa stepenom polimerizacije od oko 45 je najpogodniji za pripremu SBC; kada je stepen polimerizacije sirovina veći od 45, fluidnost maltera se postepeno smanjuje, što znači da se smanjuje brzina redukcije vode. To je zato što kada je molekularna težina velika, s jedne strane, viskoznost sistema mješavine će se povećati, ujednačenost disperzije cementa će se pogoršati, a disperzija u betonu će biti spora, što će utjecati na efekat disperzije; s druge strane, kada je molekulska težina velika, Makromolekule superplastifikatora su u nasumičnoj konformaciji zavojnice, koju je relativno teško adsorbirati na površini čestica cementa. Ali kada je stepen polimerizacije sirovine manji od 45, iako je sadržaj sumpora (stepen supstitucije) u proizvodu relativno veliki, fluidnost smeše maltera takođe počinje da se smanjuje, ali smanjenje je veoma malo. Razlog je taj što kada je molekulska težina sredstva za redukciju vode mala, iako je molekularna difuzija laka i ima dobru sposobnost vlaženja, adsorpciona postojanost molekula je veća od one molekule, a lanac transporta vode je vrlo kratak, a trenje između čestica je veliko, što je štetno za beton. Efekat disperzije nije tako dobar kao kod reduktora vode sa većom molekulskom težinom. Stoga je vrlo važno pravilno kontrolirati molekularnu težinu svinjskog lica (celulozni segment) kako bi se poboljšale performanse reduktora vode.

3.3 Utjecaj reakcionih uslova na učinak smanjenja vode proizvoda

Eksperimentima je utvrđeno da pored stepena polimerizacije MCC-a, odnos reaktanata, reakciona temperatura, aktivacija sirovina, vreme sinteze proizvoda i vrsta agensa za suspendovanje utiču na učinak smanjenja vode u proizvodu.

3.3.1 Omjer reaktanata

(1) Doziranje BS

U uslovima određenim drugim parametrima procesa (stepen polimerizacije MCC je 45, n(MCC):n(NaOH)=1:2,1, suspendujući agens je izopropanol, vreme aktivacije celuloze na sobnoj temperaturi je 2h, temperatura sinteze je 80°C, a vrijeme sinteze 5h), kako bi se istražio utjecaj količine agensa za eterifikaciju 1,4-butan sultona (BS) na stepen supstitucije grupa butansulfonske kiseline proizvoda i fluidnost malter.

Vidi se da se povećanjem količine BS značajno povećava stepen supstitucije grupa butansulfonske kiseline i fluidnost maltera. Kada odnos BS i MCC dostigne 2,2:1, fluidnost DS i maltera dostiže maksimum. vrijednosti, smatra se da je učinak smanjenja vode najbolji u ovom trenutku. Vrijednost BS je nastavila rasti, a i stupanj zamjene i fluidnost maltera počeli su da se smanjuju. To je zato što kada je BS prevelik, BS će reagovati sa NaOH da bi stvorio HO-(CH2)4SO3Na. Stoga je u ovom radu odabran optimalni omjer materijala BS prema MCC kao 2,2:1.

(2) Doziranje NaOH

U uslovima određenim drugim parametrima procesa (stepen polimerizacije MCC-a je 45, n(BS):n(MCC)=2,2:1. Suspendirajući agens je izopropanol, vreme aktivacije celuloze na sobnoj temperaturi je 2h, temperatura sinteze je 80°C, a vrijeme sinteze 5h), kako bi se ispitao uticaj količine natrijum hidroksida na stepen supstitucije grupa butansulfonske kiseline u proizvodu i fluidnost maltera.

Vidi se da sa povećanjem količine redukcije stepen supstitucije SBC naglo raste, a počinje da opada nakon dostizanja najveće vrednosti. To je zato što, kada je sadržaj NaOH visok, ima previše slobodnih baza u sistemu i povećava se vjerovatnoća nuspojava, što rezultira više agensa za eterifikaciju (BS) koji sudjeluju u nuspojavama, čime se smanjuje stepen supstitucije sulfonskih kiselina. kiselinske grupe u proizvodu. Na višoj temperaturi, prisustvo previše NaOH će takođe razgraditi celulozu, a učinak smanjenja vode proizvoda će biti pogođen nižim stepenom polimerizacije. Prema eksperimentalnim rezultatima, kada je molarni odnos NaOH prema MCC oko 2,1, stepen supstitucije je najveći, pa je ovim radom utvrđeno da je molarni odnos NaOH prema MCC 2,1:1,0.

3.3.2 Utjecaj temperature reakcije na učinak smanjenja vode u proizvodu

Pod uslovima određenim drugim parametrima procesa (stepen polimerizacije MCC je 45, n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2,1:2,2, suspendujući agens je izopropanol, a vreme aktivacije celuloze na sobnoj temperaturi je 2h, vreme 5h), ispitivan je uticaj temperature reakcije sinteze na stepen supstitucije grupa butansulfonske kiseline u proizvodu.

Može se vidjeti da kako se temperatura reakcije povećava, stepen supstitucije sulfonske kiseline DS SBC postepeno raste, ali kada temperatura reakcije prijeđe 80 °C, DS pokazuje opadajući trend. Reakcija eterifikacije između 1,4-butan sultona i celuloze je endotermna reakcija, a povećanje temperature reakcije je korisno za reakciju između agensa za eterifikaciju i hidroksilne grupe celuloze, ali s povećanjem temperature, efekat NaOH i celuloze se postepeno povećava . Postaje jak, uzrokujući razgradnju i otpadanje celuloze, što rezultira smanjenjem molekularne težine celuloze i stvaranjem malih molekularnih šećera. Reakcija tako malih molekula sa agensima za eterifikaciju je relativno laka, a potrošiće se više sredstava za eterifikaciju, što utiče na stepen supstitucije proizvoda. Stoga se u ovoj tezi smatra da je najpogodnija temperatura reakcije za reakciju eterifikacije BS i celuloze 80℃.

3.3.3 Utjecaj vremena reakcije na učinak smanjenja vode u proizvodu

Vrijeme reakcije je podijeljeno na aktivaciju sirovina na sobnoj temperaturi i vrijeme sinteze proizvoda na konstantnoj temperaturi.

(1) Vrijeme aktivacije sirovina na sobnoj temperaturi

U gore navedenim optimalnim procesnim uslovima (MCC stepen polimerizacije je 45, n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2,1:2,2, sredstvo za suspendovanje je izopropanol, temperatura reakcije sinteze je 80°C, proizvod Vrijeme sinteze na konstantnoj temperaturi 5h), istražiti utjecaj vremena aktivacije na sobnoj temperaturi na stepen supstitucije grupe proizvoda butansulfonske kiseline.

Vidi se da stepen supstitucije grupe butansulfonske kiseline proizvoda SBC prvo raste, a zatim opada sa produženjem vremena aktivacije. Razlog analize može biti taj što je s povećanjem vremena djelovanja NaOH razgradnja celuloze ozbiljna. Smanjite molekularnu težinu celuloze kako biste stvorili male molekularne šećere. Reakcija tako malih molekula sa agensima za eterifikaciju je relativno laka, a potrošiće se više sredstava za eterifikaciju, što utiče na stepen supstitucije proizvoda. Stoga se u ovom radu smatra da je vrijeme aktivacije sirovina na sobnoj temperaturi 2h.

(2) Vrijeme sinteze proizvoda

U gore navedenim optimalnim uslovima procesa, istražen je uticaj vremena aktivacije na sobnoj temperaturi na stepen supstitucije grupe butansulfonske kiseline proizvoda. Vidi se da produžavanjem vremena reakcije prvo raste stepen supstitucije, ali kada vreme reakcije dostigne 5h, DS pokazuje silazni trend. Ovo je povezano sa slobodnom bazom prisutnom u reakciji eterifikacije celuloze. Na višim temperaturama, produljenje vremena reakcije dovodi do povećanja stepena alkalne hidrolize celuloze, skraćivanja molekulskog lanca celuloze, smanjenja molekulske mase proizvoda i povećanja nuspojava, što rezultira zamjena. stepen opada. U ovom eksperimentu, idealno vrijeme sinteze je 5 sati.

3.3.4 Utjecaj vrste sredstva za suspendiranje na učinak smanjenja vode proizvoda

U optimalnim procesnim uslovima (stepen polimerizacije MCC je 45, n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2,1:2,2, vreme aktivacije sirovina na sobnoj temperaturi je 2h, vreme sinteze na konstantnoj temperaturi proizvoda je 5 h, a temperatura reakcije sinteze 80 ℃), odnosno odaberite izopropanol, etanol, n-butanol, etil acetat i petrolej eter kao suspendirajuće agense i raspravljajte o njihovom utjecaju na učinak smanjenja vode proizvoda.

Očigledno, izopropanol, n-butanol i etil acetat mogu se koristiti kao suspendirajući agens u ovoj reakciji eterifikacije. Uloga suspendirajućeg agensa, pored dispergiranja reaktanata, može kontrolirati temperaturu reakcije. Tačka ključanja izopropanola je 82,3°C, tako da se izopropanol koristi kao suspenzijsko sredstvo, temperatura sistema se može kontrolisati blizu optimalne temperature reakcije, stepen supstitucije grupa butansulfonske kiseline u proizvodu i fluidnost malter su relativno visoki; dok je tačka ključanja etanola previsoka. Niska, reakciona temperatura ne ispunjava uslove, stepen supstitucije grupa butansulfonske kiseline u proizvodu i fluidnost maltera su niski; petrolej etar može učestvovati u reakciji, tako da se ne može dobiti dispergovani proizvod.

4 Zaključak

(1) Upotreba pamučne pulpe kao početne sirovine,mikrokristalna celuloza (MCC)sa odgovarajućim stepenom polimerizacije pripremljen je, aktiviran sa NaOH, i reagovao sa 1,4-butan sultonom da bi se dobio celulozni eter rastvorljive u vodi butilsulfonske kiseline, odnosno reduktor vode na bazi celuloze. Karakterizirana je struktura proizvoda, te je utvrđeno da su nakon reakcije eterifikacije celuloze na njenom molekularnom lancu postojale grupe sulfonske kiseline koje su se transformirale u amorfnu strukturu, a proizvod za redukciju vode imao je dobru topljivost u vodi;

(2) Eksperimentima je utvrđeno da kada je stepen polimerizacije mikrokristalne celuloze 45, učinak smanjenja vode dobijenog proizvoda je najbolji; pod uslovom da je određen stepen polimerizacije sirovina, odnos reaktanata je n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2,1:2,2, vreme aktivacije sirovina na sobnoj temperaturi je 2h, temperatura sinteze proizvoda je 80°C, a vrijeme sinteze je 5h. Performanse vode su optimalne.