CMC Cellulose og dens strukturkarakterisering

Ved at bruge halmcellulose som råmateriale blev det modificeret ved etherificering. Gennem enkeltfaktor- og rotationstesten blev de optimale betingelser for fremstilling af carboxymethylcellulose bestemt til at være: etherificeringstid 100 min, etherificeringstemperatur 70℃, NaOH-dosering 3,2g og monochloreddikesyredosering 3,0g, den maksimale substitution Graden er 0,53.

Nøgleord: CMCcellulose; monochloreddikesyre; etherificering; modifikation

Carboxymethylcelluloseer den mest producerede og solgte celluloseether i verden. Det er meget udbredt i rengøringsmidler, mad, tandpasta, tekstil, trykning og farvning, papirfremstilling, petroleum, minedrift, medicin, keramik, elektroniske komponenter, gummi, maling, pesticider, kosmetik, læder, plast og olieboring osv., kendt som "industrielt mononatriumglutamat". Carboxymethylcellulose er et vandopløseligt celluloseetherderivat opnået ved kemisk modificering af naturlig cellulose. Cellulose, det vigtigste råmateriale til produktion af carboxymethylcellulose, er en af ​​de mest rigelige naturlige vedvarende ressourcer på jorden med en årlig produktion på hundreder af milliarder af tons. mit land er et stort landbrugsland og et af de lande med flest halmressourcer. Halm har altid været et af de vigtigste levende brændstoffer for beboere på landet. Disse ressourcer er ikke blevet rationelt udviklet i lang tid, og mindre end 2 % af landbrugs- og skovbrugsaffaldet, såsom halm, bruges i verden hvert år. Ris er den vigtigste økonomiske afgrøde i Heilongjiang-provinsen med et planteareal på mere end 2 millioner hm2, en årlig produktion på 14 millioner tons ris og 11 millioner tons halm. Landmændene brænder dem generelt direkte på marken som affald, hvilket ikke kun er et enormt spild af naturressourcer, men også forårsager alvorlig forurening af miljøet. Derfor er realisering af ressourceudnyttelsen af ​​halm behovet for en bæredygtig udviklingsstrategi for landbruget.

1. Eksperimentelle materialer og metoder

1.1 Eksperimentelle materialer og udstyr

Halmcellulose, selvfremstillet i laboratoriet; JJ～1 type elektrisk mixer, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory; SHZW2C type RS—En vakuumpumpe, Shanghai Pengfu Electromechanical Co, Ltd; pHS-3C pH-meter, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A elektrisk opvarmning konstant temperatur tørreovn, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co, Ltd; HITACHI-S ~ 3400N scanning elektronmikroskop, Hitachi Instruments; ethanol; natriumhydroxid; chloreddikesyre osv. (de ovennævnte reagenser er analytisk rene).

1.2 Eksperimentel metode

1.2.1 Fremstilling af carboxymethylcellulose

(1) Fremstillingsmetoden for carboxymethylcellulose: Afvej 2 g cellulose i en trehalset kolbe, tilsæt 2,8 g NaOH, 20 ml 75% ethanolopløsning og udblød i alkali i et vandbad med konstant temperatur ved 25°C.°C i 80 min. Rør med en mixer for at blande godt. Under denne proces reagerer cellulose med alkalisk opløsning for at danne alkalicellulose. I etherificeringstrinnet tilsættes 10 ml 75% ethanolopløsning og 3 g chloreddikesyre til den trehalsede kolbe, der er reageret ovenfor, hæv temperaturen til 65-70°C° C. og reagere i 60 minutter. Tilsæt alkali for anden gang, tilsæt derefter 0,6 g NaOH til ovenstående reaktionskolbe for at holde temperaturen på 70°C°C, og reaktionstiden er 40 minutter for at opnå rå Na—CMC (natriumcarboxymethylcellulose).

Neutralisering og vask: tilsæt 1 mol·L-1 saltsyre, og neutraliser reaktionen ved stuetemperatur, indtil pH = 7-8. Vask derefter to gange med 50% ethanol, vask derefter en gang med 95% ethanol, filtrer med sugning og tør ved 80-90°C i 2 timer.

(2) Bestemmelse af graden af ​​prøvesubstitution: surhedsmeterbestemmelsesmetode: Vej 0,2 g (nøjagtigt til 0,1 mg) af den rensede og tørrede Na-CMC-prøve, opløs den i 80 ml destilleret vand, omrør den elektromagnetisk i 10 minutter og juster det med syre eller alkali. Opløsningen bragte opløsningens pH-værdi til 8. Derefter titreres testopløsningen med svovlsyre-standardopløsning i et bægerglas udstyret med en pH-meterelektrode, og observer pH-meterets indikation under titrering, indtil pH-værdien er 3,74. Notér mængden af ​​den anvendte svovlsyrestandardopløsning.

1.2.2 Enkeltfaktortestmetode

(1) Virkningen af ​​mængden af ​​alkali på substitutionsgraden af ​​carboxymethylcellulose: udfør alkalisering ved 25℃, nedsænkning i alkali i 80 minutter, koncentrationen i ethanolopløsning er 75%, kontroller mængden af ​​monochloreddikesyrereagens 3 g, etherificeringstemperaturen er 65 ~ 70°C, etherificeringstiden var 100 minutter, og mængden af ​​natriumhydroxid blev ændret til testen.

(2) Virkningen af ​​koncentrationen af ​​ethanolopløsning på graden af ​​substitution af carboxymethylcellulose: mængden af ​​fast alkali er 3,2 g, alkalisk nedsænkning i et vandbad med konstant temperatur ved 25°C°C i 80 min, koncentrationen af ​​ethanolopløsning er 75%, mængden af ​​monochloreddikesyrereagens er kontrolleret til 3g, etherificering Temperaturen er 65-70°C, etherificeringstiden er 100 min, og koncentrationen af ​​ethanolopløsningen ændres til forsøget.

(3) Virkningen af ​​mængden af ​​monochloreddikesyre på substitutionsgraden af ​​carboxymethylcellulose: fastsat til 25°C for alkalisering, blød i alkali i 80 minutter, tilsæt 3,2 g natriumhydroxid for at gøre koncentrationen af ​​ethanolopløsningen 75%, ether Temperaturen er 65~70°C, etherificeringstiden er 100 minutter, og mængden af ​​monochloreddikesyre ændres til forsøg.

(4) Effekt af etherificeringstemperatur på substitutionsgraden af ​​carboxymethylcellulose: fikseres ved 25°C for alkalisering, læg i blød i alkali i 80 minutter, tilsæt 3,2 g natriumhydroxid for at gøre koncentrationen af ​​ethanolopløsning 75%, etherificeringstemperatur Temperaturen er 65~70℃etherificeringstiden er 100 min, og forsøget udføres ved at ændre doseringen af ​​monochloreddikesyre.

(5) Effekt af etherificeringstid på substitutionsgraden af ​​carboxymethylcellulose: fastsat til 25°C til alkalisering, tilsat 3,2 g natriumhydroxid og gennemblødt i alkali i 80 minutter for at gøre koncentrationen af ​​ethanolopløsningen 75%, og kontrolleret monochlor.°C, og etherificeringstiden ændres for eksperimentet.

1.2.3 Testplan og optimering af carboxymethylcellulose

På basis af enkeltfaktoreksperimentet blev der designet et kvadratisk regression ortogonal rotation kombineret eksperiment med fire faktorer og fem niveauer. De fire faktorer er etherificeringstid, etherificeringstemperatur, mængden af ​​NaOH og mængden af ​​monochloreddikesyre. Databehandlingen bruger SAS8.2 statistisk software til databehandling, som afslører sammenhængen mellem hver påvirkningsfaktor og graden af ​​substitution af carboxymethylcellulose. indre lov.

1.2.4 SEM-analysemetode

Den tørrede pulverprøve blev fikseret på prøvetrinnet med ledende lim, og efter vakuumsprøjtning af guld blev den observeret og fotograferet under et Hitachi-S-3400N Hitachi scanningselektronmikroskop.

2. Resultater og analyse

2.1 Effekt af enkeltfaktor på substitutionsgrad af carboxymethylcellulose

2.1.1 Virkningen af ​​mængden af ​​alkali på substitutionsgraden af ​​carboxymethylcellulose

Når NaOH3,2 g blev tilsat til 2 g cellulose, var substitutionsgraden af ​​produktet den højeste. Mængden af ​​NaOH reduceres, hvilket ikke er nok til at danne neutralisering af alkalisk cellulose og etherificeringsmiddel, og produktet har en lille grad af substitution og lav viskositet. Tværtimod, hvis mængden af ​​NaOH er for meget, vil sidereaktionerne under hydrolysen af ​​chloreddikesyre stige, forbruget af etherificerende middel vil stige, og produktets viskositet vil også falde.

2.1.2 Effekt af koncentration af ethanolopløsning på substitutionsgrad af carboxymethylcellulose

En del af vandet i ethanolopløsningen findes i reaktionsmediet uden for cellulosen, og den anden del findes i cellulosen. Hvis vandindholdet er for stort, vil CMC svulme i vand for at danne gelé under etherificering, hvilket resulterer i meget ujævn reaktion; hvis vandindholdet er for lille, vil reaktionen være svær at forløbe på grund af mangel på reaktionsmedium. Generelt er 80 % ethanol det bedst egnede opløsningsmiddel.

2.1.3 Effekt af doseringen af ​​monochloreddikesyre på graden af ​​substitution af carboxymethylcellulose

Mængden af ​​monochloreddikesyre og natriumhydroxid er teoretisk 1:2, men for at bevæge reaktionen i retningen af ​​frembringelse af CMC, skal du sikre dig, at der er en passende fri base i reaktionssystemet, så carboxymethyleringen kan forløbe jævnt. Af denne grund anvendes metoden med overskydende alkali, det vil sige, at molforholdet mellem syre og alkalistoffer er 1:2,2.

2.1.4 Effekt af etherificeringstemperatur på substitutionsgrad af carboxymethylcellulose

Jo højere etherificeringstemperaturen er, jo hurtigere er reaktionshastigheden, men sidereaktionerne accelereres også. Ud fra et kemisk balanceperspektiv er stigende temperatur ugunstig for dannelsen af ​​CMC, men hvis temperaturen er for lav, er reaktionshastigheden langsom, og udnyttelseshastigheden af ​​etherificeringsmidlet er lav. Det kan ses, at den optimale temperatur for etherificering er 70°C°C.

2.1.5 Effekt af etherificeringstid på substitutionsgrad af carboxymethylcellulose

Med forøgelsen af ​​etherificeringstiden øges substitutionsgraden af ​​CMC, og reaktionshastigheden accelereres, men efter en vis tid øges sidereaktionerne, og substitutionsgraden falder. Når etherificeringstiden er 100 minutter, er substitutionsgraden maksimal.

2.2 Ortogonale testresultater og analyse af carboxymethylgrupper

Det kan ses af variansanalysetabellen, at i den primære post har de fire faktorer for etherificeringstid, etherificeringstemperatur, mængden af ​​NaOH og mængden af ​​monochloreddikesyre en meget væsentlig indflydelse på substitutionsgraden af ​​carboxymethylcellulose (p. <0,01). Blandt interaktionspunkterne havde interaktionspunkterne for etherificeringstid og mængden af ​​monochloreddikesyre og interaktionselementerne for etherificeringstemperatur og mængden af ​​monochloreddikesyre en meget signifikant effekt på substitutionsgraden af ​​carboxymethylcellulose (p<0,01). Rækkefølgen af ​​indflydelsen af ​​forskellige faktorer på graden af ​​substitution af carboxymethylcellulose var: etherificeringstemperatur> mængden af ​​monochloreddikesyre> etherificeringstid> mængden af ​​NaOH.

Efter analyse af testresultaterne af det kvadratiske regression ortogonale rotationskombinationsdesign, kan det bestemmes, at de optimale procesbetingelser for carboxymethyleringsmodifikation er: etherificeringstid 100 minutter, etherificeringstemperatur 70℃, NaOH-dosering 3,2 g og monochloreddikesyre Doseringen er 3,0 g, og den maksimale substitutionsgrad er 0,53.

2.3 Mikroskopisk ydeevnekarakterisering

Overflademorfologien af ​​cellulose, carboxymethylcellulose og tværbundne carboxymethylcellulosepartikler blev undersøgt ved scanningelektronmikroskopi. Cellulose vokser i en strimmelform med en glat overflade; kanten af ​​carboxymethylcellulose er mere ru end den ekstraherede cellulose, og hulrumsstrukturen øges, og volumenet bliver større. Dette skyldes, at bundtstrukturen bliver større på grund af opsvulmningen af ​​carboxymethylcellulose.

3. Konklusion

3.1 Fremstilling af carboxymethyletherificeret cellulose. Betydningsrækkefølgen af ​​de fire faktorer, der påvirker substitutionsgraden af ​​cellulose, er: etherificeringstemperatur > monochloreddikesyredosering > etherificeringstid > NaOH-dosering. De optimale procesbetingelser for carboxymethyleringsmodifikation er etherificeringstid 100 min, etherificeringstemperatur 70℃, NaOH-dosering 3,2 g, monochloreddikesyredosis 3,0 g og maksimal substitutionsgrad 0,53.

3.2 De optimale teknologiske betingelser for carboxymethyleringsmodifikation er: etherificeringstid 100 minutter, etherificeringstemperatur 70℃, NaOH-dosering 3,2 g, monochloreddikesyredosering 3,0 g, maksimal substitutionsgrad 0,53.