Cel·lulosa CMC i caracterització de la seva estructura

Utilitzant cel·lulosa de palla com a matèria primera, es va modificar per eterificació. Mitjançant la prova de factor únic i de rotació, es va determinar que les condicions òptimes per a la preparació de carboximetil cel·lulosa eren: temps d'eterificació 100 min, temperatura d'eterificació 70℃, dosi de NaOH 3,2 g i dosi d'àcid monocloroacètic 3,0 g, la substitució màxima El grau és de 0,53.

Paraules clau: CMCcel·lulosa; àcid monocloroacètic; eterificació; modificació

Carboximetil cel·lulosaés l'èter de cel·lulosa més produït i venut del món. S'utilitza àmpliament en detergents, aliments, pasta de dents, tèxtil, impressió i tenyit, fabricació de paper, petroli, mineria, medicina, ceràmica, components electrònics, cautxú, pintures, pesticides, cosmètics, cuir, plàstics i perforació d'oli, etc. com "glutamat monosòdic industrial". La carboximetil cel·lulosa és un derivat de l'èter de cel·lulosa soluble en aigua obtingut modificant químicament la cel·lulosa natural. La cel·lulosa, la principal matèria primera per a la producció de carboximetil cel·lulosa, és un dels recursos naturals renovables més abundants del planeta, amb una producció anual de centenars de milers de milions de tones. el meu país és un gran país agrícola i un dels països amb més abundants recursos de palla. La palla ha estat sempre un dels principals combustibles vius per als residents rurals. Aquests recursos no es desenvolupen racionalment des de fa molt de temps, i al món s'utilitzen menys del 2% dels residus agrícoles i forestals com la palla cada any. L'arròs és el principal cultiu econòmic de la província de Heilongjiang, amb una superfície de plantació de més de 2 milions d'hm2, una producció anual de 14 milions de tones d'arròs i 11 milions de tones de palla. En general, els agricultors els cremen directament al camp com a residus, la qual cosa no només és un gran malbaratament de recursos naturals, sinó que també provoca una greu contaminació al medi ambient. Per tant, adonar-se de la utilització dels recursos de la palla és la necessitat de l'estratègia de desenvolupament sostenible de l'agricultura.

1. Materials i mètodes experimentals

1.1 Materials i equips experimentals

Cel·lulosa de palla, feta pròpiament al laboratori; JJ～1 tipus de mesclador elèctric, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory; SHZW2C tipus RS—Una bomba de buit, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pH-metre pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; Forn d'assecat a temperatura constant de calefacció elèctrica DGG-9070A, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; Microscopi electrònic d'exploració HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments; etanol; hidròxid de sodi; àcid cloroacètic, etc. (els reactius anteriors són analíticament purs).

1.2 Mètode experimental

1.2.1 Preparació de carboximetil cel·lulosa

(1) El mètode de preparació de la carboximetil cel·lulosa: peseu 2 g de cel·lulosa en un matràs de tres colls, afegiu 2,8 g de NaOH, 20 ml de solució d'etanol al 75% i submergiu-lo en àlcali en un bany d'aigua a temperatura constant a 25ºC.°C durant 80 min. Remeneu amb una batedora per combinar bé. Durant aquest procés, la cel·lulosa reacciona amb una solució alcalina per formar cel·lulosa alcalina. En l'etapa d'eterificació, afegiu 10 ml de solució d'etanol al 75% i 3 g d'àcid cloroacètic al matràs de tres colls reaccionat anteriorment, augmenteu la temperatura a 65-70° C., i reaccionar durant 60 minuts. Afegiu àlcali per segona vegada i, a continuació, afegiu 0,6 g de NaOH al matràs de reacció anterior per mantenir la temperatura a 70ºC.°C, i el temps de reacció és de 40 minuts per obtenir Na brut—CMC (carboximetilcel·lulosa sòdica).

Neutralització i rentat: afegir 1 moL·L-1 àcid clorhídric i neutralitzar la reacció a temperatura ambient fins a pH = 7 ~ 8. A continuació, rentar dues vegades amb etanol al 50%, després rentar una vegada amb etanol al 95%, filtrar amb succió i assecar a 80-90°C durant 2 hores.

(2) Determinació del grau de substitució de la mostra: mètode de determinació del mesurador d'acidesa: peseu 0,2 g (precisos a 0,1 mg) de la mostra de Na-CMC purificada i seca, dissoleu-la en 80 ml d'aigua destil·lada, remeneu-la electromagnèticament durant 10 minuts i ajusteu-la. amb àcid o àlcali La solució va portar el pH de la solució a 8. A continuació, titular la solució d'assaig amb una solució estàndard d'àcid sulfúric en un vas de precipitats equipat amb un elèctrode pH-metre i observar la indicació del pH-metre mentre es titula fins que el pH sigui 3,74. Anoteu el volum de solució estàndard d'àcid sulfúric utilitzat.

1.2.2 Mètode de prova d'un sol factor

(1) L'efecte de la quantitat d'àlcali sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa: realitzeu l'alcalinització a 25℃, immersió alcalina durant 80 minuts, la concentració en la solució d'etanol és del 75%, controleu la quantitat de reactiu d'àcid monocloroacètic 3g, la temperatura d'eterificació és de 65 ~ 70°C, el temps d'eterificació va ser de 100 minuts i es va canviar la quantitat d'hidròxid de sodi per a la prova.

(2) L'efecte de la concentració de solució d'etanol sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa: la quantitat d'àlcali fix és de 3,2 g, immersió alcalina en un bany d'aigua a temperatura constant a 25°C durant 80 min, la concentració de solució d'etanol és del 75%, la quantitat de reactiu d'àcid monocloroacètic es controla a 3 g, eterificació La temperatura és de 65-70°C, el temps d'eterificació és de 100 minuts i es canvia la concentració de la solució d'etanol per a l'experiment.

(3) L'efecte de la quantitat d'àcid monocloroacètic sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa: fixar a 25°C per alcalització, remull en àlcali durant 80 minuts, afegiu 3,2 g d'hidròxid de sodi per fer que la concentració de la solució d'etanol sigui del 75%, èter La temperatura és de 65 ~ 70°C, el temps d'eterificació és de 100 minuts i es canvia la quantitat d'àcid monocloroacètic per a l'experiment.

(4) Efecte de la temperatura d'eterificació sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa: fixar a 25°C per a l'alcalinització, remull en àlcali durant 80 minuts, afegiu 3,2 g d'hidròxid de sodi per fer que la concentració de solució d'etanol sigui del 75%, temperatura d'eterificació La temperatura és de 65 ~ 70℃, el temps d'eterificació és de 100 minuts i l'experiment es realitza canviant la dosi d'àcid monocloroacètic.

(5) Efecte del temps d'eterificació sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa: fixat a 25°C per a l'alcalinització, s'afegeix 3,2 g d'hidròxid de sodi i es remull en àlcali durant 80 minuts per fer que la concentració de la solució d'etanol sigui del 75% i el monoclor controlat La dosi de reactiu d'àcid acètic és de 3 g, la temperatura d'eterificació és de 65 ~ 70°C, i el temps d'eterificació es canvia per a l'experiment.

1.2.3 Pla d'assaig i optimització de la carboximetil cel·lulosa

A partir de l'experiment de factor únic, es va dissenyar un experiment combinat de rotació ortogonal de regressió quadràtica amb quatre factors i cinc nivells. Els quatre factors són el temps d'eterificació, la temperatura d'eterificació, la quantitat de NaOH i la quantitat d'àcid monocloroacètic. El processament de dades utilitza el programari estadístic SAS8.2 per al processament de dades, que revela la relació entre cada factor d'influència i el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa. llei interior.

1.2.4 Mètode d'anàlisi SEM

La mostra de pols seca es va fixar a l'etapa de mostra amb cola conductora i, després de ruixar or al buit, es va observar i fotografiar amb un microscopi electrònic d'exploració Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Resultats i anàlisi

2.1 Efecte del factor únic sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa

2.1.1 L'efecte de la quantitat d'àlcali sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa

Quan es va afegir NaOH3,2 g a 2 g de cel·lulosa, el grau de substitució del producte va ser el més alt. La quantitat de NaOH es redueix, cosa que no és suficient per formar la neutralització de la cel·lulosa alcalina i l'agent d'eterificació, i el producte té un petit grau de substitució i una baixa viscositat. Per contra, si la quantitat de NaOH és massa, les reaccions secundaries durant la hidròlisi de l'àcid cloroacètic augmentaran, augmentarà el consum d'agent eterificant i també disminuirà la viscositat del producte.

2.1.2 Efecte de la concentració de la solució d'etanol sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa

Una part de l'aigua de la solució d'etanol es troba al medi de reacció fora de la cel·lulosa, i l'altra part existeix a la cel·lulosa. Si el contingut d'aigua és massa gran, el CMC s'inflarà a l'aigua per formar gelea durant l'eterificació, donant lloc a una reacció molt desigual; si el contingut d'aigua és massa petit, la reacció serà difícil de procedir a causa de la manca de medi de reacció. En general, l'etanol al 80% és el dissolvent més adequat.

2.1.3 Efecte de la dosificació d'àcid monocloroacètic sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa

La quantitat d'àcid monocloroacètic i hidròxid de sodi és teòricament 1:2, però per tal de moure la reacció cap a la direcció de generació de CMC, assegureu-vos que hi hagi una base lliure adequada al sistema de reacció, de manera que la carboximetilació pugui procedir sense problemes. Per aquest motiu, s'adopta el mètode de l'excés d'àlcali, és a dir, la proporció molar de substàncies àcids i àlcalis és 1:2,2.

2.1.4 Efecte de la temperatura d'eterificació sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa

Com més alta sigui la temperatura d'eterificació, més ràpida serà la velocitat de reacció, però les reaccions laterals també s'acceleren. Des de la perspectiva de l'equilibri químic, l'augment de la temperatura és desfavorable per a la formació de CMC, però si la temperatura és massa baixa, la velocitat de reacció és lenta i la taxa d'utilització de l'agent eterificant és baixa. Es pot veure que la temperatura òptima per a l'eterificació és de 70°C.

2.1.5 Efecte del temps d'eterificació sobre el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa

Amb l'augment del temps d'eterificació, el grau de substitució de CMC augmenta i la velocitat de reacció s'accelera, però després d'un cert temps, les reaccions secundaries augmenten i el grau de substitució disminueix. Quan el temps d'eterificació és de 100 minuts, el grau de substitució és màxim.

2.2 Resultats de proves ortogonals i anàlisi de grups carboximetil

A la taula d'anàlisi de la variància es pot veure que en l'article principal, els quatre factors del temps d'eterificació, la temperatura d'eterificació, la quantitat de NaOH i la quantitat d'àcid monocloroacètic tenen un impacte molt significatiu en el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa (p). <0,01). Entre els elements d'interacció, els elements d'interacció del temps d'eterificació i la quantitat d'àcid monocloroacètic, i els elements d'interacció de la temperatura d'eterificació i la quantitat d'àcid monocloroacètic van tenir un efecte molt significatiu en el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa (p <0, 01). L'ordre d'influència de diversos factors en el grau de substitució de la carboximetil cel·lulosa va ser: la temperatura d'eterificació>la quantitat d'àcid monocloroacètic> el temps d'eterificació> la quantitat de NaOH.

Després de l'anàlisi dels resultats de la prova del disseny de combinació de rotació ortogonal de regressió quadràtica, es pot determinar que les condicions òptimes del procés per a la modificació de la carboximetilació són: temps d'eterificació 100 min, temperatura d'eterificació 70℃, dosi de NaOH 3,2 g i àcid monocloroacètic La dosi és de 3,0 g i el grau màxim de substitució és de 0,53.

2.3 Caracterització del rendiment microscòpic

La morfologia superficial de la cel·lulosa, la carboximetil cel·lulosa i les partícules de carboximetil cel·lulosa reticulada es va estudiar mitjançant microscòpia electrònica d'escaneig. La cel·lulosa creix en forma de tira amb una superfície llisa; la vora de la carboximetil cel·lulosa és més rugosa que la de la cel·lulosa extreta, i l'estructura de la cavitat augmenta i el volum es fa més gran. Això es deu al fet que l'estructura del paquet es fa més gran a causa de la inflamació de la carboximetil cel·lulosa.

3. Conclusió

3.1 Preparació de la cel·lulosa carboximetil eterificada L'ordre d'importància dels quatre factors que afecten el grau de substitució de la cel·lulosa és: temperatura d'eterificació > dosi d'àcid monocloroacètic > temps d'eterificació > dosificació de NaOH. Les condicions òptimes del procés de modificació de la carboximetilació són el temps d'eterificació 100 min, la temperatura d'eterificació 70℃, dosi de NaOH 3,2 g, dosi d'àcid monocloroacètic 3,0 g i grau de substitució màxim 0,53.

3.2 Les condicions tecnològiques òptimes de modificació de la carboximetilació són: temps d'eterificació 100 min, temperatura d'eterificació 70℃, dosi de NaOH 3,2 g, dosi d'àcid monocloroacètic 3,0 g, grau de substitució màxim 0,53.