CMC celulóza a její struktura charakterizace

Za použití slámové celulózy jako suroviny byla upravena etherifikací. Jednofaktorovým a rotačním testem byly stanoveny optimální podmínky pro přípravu karboxymethylcelulózy: doba etherifikace 100 min, teplota etherifikace 70℃, dávka NaOH 3,2 g a kyselina monochloroctová dávka 3,0 g, maximální substituce Stupeň je 0,53.

Klíčová slova: CMCcelulóza; kyselina monochloroctová; etherifikace; modifikace

Karboxymethylcelulózaje nejvíce vyráběný a prodávaný éter celulózy na světě. Je široce používán v detergentech, potravinách, zubních pastách, textilu, tisku a barvení, výrobě papíru, ropy, hornictví, lékařství, keramice, elektronických součástkách, gumě, barvách, pesticidech, kosmetice, kůži, plastech a vrtání ropy atd. jako „průmyslový glutamát sodný“. Karboxymethylcelulóza je ve vodě rozpustný etherový derivát celulózy získaný chemickou modifikací přírodní celulózy. Celulóza, hlavní surovina pro výrobu karboxymethylcelulózy, je jedním z nejhojnějších přírodních obnovitelných zdrojů na zemi s roční produkcí stovek miliard tun. moje země je velká zemědělská země a jedna ze zemí s nejhojnějšími zdroji slámy. Sláma byla vždy jedním z hlavních životních paliv pro obyvatele venkova. Tyto zdroje nebyly dlouhou dobu racionálně rozvíjeny a ve světě se ročně spotřebuje méně než 2 % zemědělských a lesnických odpadů, jako je sláma. Rýže je hlavní hospodářskou plodinou v provincii Heilongjiang s pěstební plochou více než 2 miliony hm2, roční produkcí 14 milionů tun rýže a 11 milionů tun slámy. Zemědělci je obecně spalují přímo na poli jako odpad, což je nejen obrovské plýtvání přírodními zdroji, ale také způsobuje vážné znečištění životního prostředí. Uvědomění si využití zdrojů slámy je proto nutností strategie udržitelného rozvoje zemědělství.

1. Experimentální materiály a metody

1.1 Experimentální materiály a zařízení

Slaměná celulóza, vlastní výroba v laboratoři; JJ～1 typ elektrický mixér, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory; SHZW2C typ RS—Vakuové čerpadlo, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pH metr pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A elektrická topná sušicí pec s konstantní teplotou, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; HITACHI-S ~ 3400N rastrovací elektronový mikroskop, Hitachi Instruments; ethanol; hydroxid sodný; kyselina chloroctová atd. (výše uvedená činidla jsou analyticky čistá).

1.2 Experimentální metoda

1.2.1 Příprava karboxymethylcelulózy

(1) Způsob přípravy karboxymethylcelulózy: Do tříhrdlé baňky se naváží 2 g celulózy, přidá se 2,8 g NaOH, 20 ml 75% roztoku ethanolu a namočí se do alkálie ve vodní lázni o konstantní teplotě 25 °C.°C po dobu 80 min. Promíchejte mixérem, aby se dobře spojil. Během tohoto procesu celulóza reaguje s alkalickým roztokem za vzniku alkalické celulózy. Ve fázi etherifikace přidejte 10 ml 75% roztoku ethanolu a 3 g kyseliny chloroctové do výše zreagované tříhrdlé baňky, zvyšte teplotu na 65-70 °C.° a 60 minut reagovat. Přidejte alkálii podruhé, poté přidejte 0,6 g NaOH do výše uvedené reakční baňky, aby se teplota udržela na 70 °C.°C a reakční doba je 40 minut pro získání surového Na—CMC (sodná sůl karboxymethylcelulózy).

Neutralizace a promývání: přidejte 1 mol·L-1 kyselinu chlorovodíkovou a neutralizujte reakci při teplotě místnosti, dokud pH=7~8. Poté promyjte dvakrát 50% ethanolem, poté jednou promyjte 95% ethanolem, filtrujte odsáváním a vysušte při 80-90°C po dobu 2 hodin.

(2) Stanovení stupně substituce vzorku: metoda stanovení měřičem kyselosti: Odvažte 0,2 g (s přesností na 0,1 mg) přečištěného a vysušeného vzorku Na-CMC, rozpusťte jej v 80 ml destilované vody, elektromagneticky míchejte 10 minut a upravte Roztok upravil pH roztoku na 8. Poté titrujte zkušební roztok standardním roztokem kyseliny sírové v kádince vybavené pH-metrovou elektrodou a sledujte indikaci pH metru při titraci, dokud nebude pH dosaženo. 3,74. Poznamenejte si objem použitého standardního roztoku kyseliny sírové.

1.2.2 Jednofaktorová zkušební metoda

(1) Vliv množství alkálie na stupeň substituce karboxymethylcelulózy: proveďte alkalizaci při 25℃, alkalické ponoření po dobu 80 minut, koncentrace v ethanolovém roztoku je 75 %, kontrola množství činidla kyseliny monochloroctové 3 g, teplota etherifikace je 65 ~ 70°C, doba etherifikace byla 100 minut a pro test bylo změněno množství hydroxidu sodného.

(2) Vliv koncentrace ethanolového roztoku na stupeň substituce karboxymethylcelulózy: množství fixované alkálie je 3,2 g, alkalické ponoření do vodní lázně o konstantní teplotě 25 °C.°C po dobu 80 min, koncentrace ethanolového roztoku je 75 %, množství činidla kyseliny monochloroctové se kontroluje na 3g, etherifikace Teplota je 65-70°C, doba etherifikace je 100 minut a koncentrace ethanolového roztoku se pro experiment změní.

(3) Vliv množství kyseliny monochloroctové na stupeň substituce karboxymethylcelulózy: fixujte na 25°C pro alkalizaci, namočte v alkálii na 80 minut, přidejte 3,2 g hydroxidu sodného, ​​aby byla koncentrace ethanolového roztoku 75%, ether Teplota je 65~70°C, doba etherifikace je 100 minut a množství kyseliny monochloroctové se pro experiment změní.

(4) Vliv teploty etherifikace na stupeň substituce karboxymethylcelulózy: fixujte na 25°C pro alkalizaci, namočte v alkálii na 80 minut, přidejte 3,2 g hydroxidu sodného, ​​aby byla koncentrace ethanolového roztoku 75 %, teplota etherifikace Teplota je 65~70℃doba etherifikace je 100 minut a experiment se provádí se změnou dávkování kyseliny monochloroctové.

(5) Vliv doby etherifikace na stupeň substituce karboxymethylcelulózy: stanoveno na 25°C pro alkalizaci, přidalo se 3,2 g hydroxidu sodného a namočilo v alkálii po dobu 80 minut, aby koncentrace ethanolového roztoku byla 75%, a kontrolovaný monochlor Dávkování činidla kyseliny octové je 3 g, teplota etherifikace je 65~70°C a doba etherifikace se pro experiment změní.

1.2.3 Plán zkoušek a optimalizace karboxymethylcelulózy

Na základě jednofaktorového experimentu byl navržen kombinovaný experiment kvadratické regrese ortogonální rotace se čtyřmi faktory a pěti úrovněmi. Čtyři faktory jsou doba etherifikace, teplota etherifikace, množství NaOH a množství kyseliny monochloroctové. Zpracování dat využívá pro zpracování dat statistický software SAS8.2, který odhaluje vztah mezi každým ovlivňujícím faktorem a mírou substituce karboxymethylcelulózy. vnitřní zákon.

1.2.4 Metoda analýzy SEM

Vysušený vzorek prášku byl fixován na vzorek vodivým lepidlem a po vakuovém nastříkání zlata byl pozorován a fotografován pod Hitachi-S-3400N Hitachi rastrovacím elektronovým mikroskopem.

2. Výsledky a analýza

2.1 Vliv jednoho faktoru na stupeň substituce karboxymethylcelulózy

2.1.1 Vliv množství alkálie na stupeň substituce karboxymethylcelulózy

Když se ke 2 g celulózy přidal NaOH3,2 g, stupeň substituce produktu byl nejvyšší. Množství NaOH je sníženo, což nestačí k vytvoření neutralizace alkalické celulózy a etherifikačního činidla a produkt má malý stupeň substituce a nízkou viskozitu. Naopak, pokud je množství NaOH příliš velké, zvýší se vedlejší reakce při hydrolýze kyseliny chloroctové, zvýší se spotřeba etherifikačního činidla a také se sníží viskozita produktu.

2.1.2 Vliv koncentrace ethanolového roztoku na stupeň substituce karboxymethylcelulózy

Část vody v ethanolovém roztoku existuje v reakčním médiu mimo celulózu a druhá část existuje v celulóze. Pokud je obsah vody příliš velký, CMC během etherifikace nabobtná ve vodě a vytvoří rosol, což má za následek velmi nerovnoměrnou reakci; pokud je obsah vody příliš malý, bude reakce obtížně probíhat kvůli nedostatku reakčního média. Obecně je nejvhodnějším rozpouštědlem 80% ethanol.

2.1.3 Vliv dávkování kyseliny monochloroctové na stupeň substituce karboxymethylcelulózy

Množství kyseliny monochloroctové a hydroxidu sodného je teoreticky 1:2, ale aby se reakce posunula směrem ke vzniku CMC, zajistěte, aby v reakčním systému byla vhodná volná báze, aby karboxymethylace mohla probíhat hladce. Z tohoto důvodu se používá metoda přebytku alkálie, to znamená, že molární poměr kyselých a alkalických látek je 1:2,2.

2.1.4 Vliv teploty etherifikace na stupeň substituce karboxymethylcelulózy

Čím vyšší je teplota etherifikace, tím vyšší je reakční rychlost, ale také se urychlují vedlejší reakce. Z hlediska chemické bilance je stoupající teplota nepříznivá pro tvorbu CMC, ale pokud je teplota příliš nízká, rychlost reakce je pomalá a rychlost využití etherifikačního činidla nízká. Je vidět, že optimální teplota pro etherifikaci je 70°C.

2.1.5 Vliv doby etherifikace na stupeň substituce karboxymethylcelulózy

S prodlužující se dobou etherifikace se zvyšuje stupeň substituce CMC a zrychluje se reakční rychlost, ale po určité době se zvyšují vedlejší reakce a snižuje se stupeň substituce. Když je doba etherifikace 100 minut, je stupeň substituce maximální.

2.2 Výsledky ortogonálního testu a analýza karboxymethylových skupin

Z tabulky rozptylové analýzy je vidět, že v primární položce mají čtyři faktory doba etherifikace, teplota etherifikace, množství NaOH a množství kyseliny monochloroctové velmi významný vliv na stupeň substituce karboxymethylcelulózy (p <0,01). Mezi interakčními položkami měly velmi významný vliv na stupeň substituce karboxymethylcelulózy (p<0,01) interakční položky čas etherifikace a množství kyseliny monochloroctové a položky interakce teplota etherifikace a množství kyseliny monochloroctové. Pořadí vlivu různých faktorů na stupeň substituce karboxymethylcelulózy bylo: teplota etherifikace> množství kyseliny monochloroctové> doba etherifikace> množství NaOH.

Po analýze výsledků testu návrhu kombinace kvadratické regrese ortogonální rotace lze určit, že optimální podmínky procesu pro modifikaci karboxymethylace jsou: doba etherifikace 100 min, teplota etherifikace 70℃, dávka NaOH 3,2 g a kyselina monochloroctová Dávka je 3,0 g a maximální stupeň substituce je 0,53.

2.3 Mikroskopická charakteristika výkonu

Povrchová morfologie celulózy, karboxymethylcelulózy a zesíťovaných karboxymethylcelulózových částic byla studována rastrovací elektronovou mikroskopií. Celulóza roste ve tvaru pruhu s hladkým povrchem; okraj karboxymethylcelulózy je hrubší než okraj extrahované celulózy a struktura dutiny se zvětšuje a objem se zvětšuje. Je to proto, že struktura svazku se zvětšuje v důsledku bobtnání karboxymethylcelulózy.

3. Závěr

3.1 Příprava karboxymethyletherifikované celulózy Pořadí důležitosti čtyř faktorů ovlivňujících stupeň substituce celulózy je: teplota etherifikace > dávka kyseliny monochloroctové > doba etherifikace > dávka NaOH. Optimální podmínky procesu modifikace karboxymethylace jsou doba etherifikace 100 min, teplota etherifikace 70℃, dávka NaOH 3,2 g, dávka kyseliny monochloroctové 3,0 g a maximální stupeň substituce 0,53.

3.2 Optimální technologické podmínky modifikace karboxymethylace jsou: doba etherifikace 100min, teplota etherifikace 70℃, dávka NaOH 3,2 g, dávka kyseliny monochloroctové 3,0 g, maximální stupeň substituce 0,53.