Celulosa CMC y caracterización de su estructura.

Utilizando celulosa de paja como materia prima, se modificó mediante eterificación. Mediante la prueba de factor único y rotación se determinó que las condiciones óptimas para la preparación de carboximetilcelulosa fueron: tiempo de eterificación 100min, temperatura de eterificación 70℃, dosis de NaOH 3,2 gy dosis de ácido monocloroacético 3,0 g, la sustitución máxima El grado es 0,53.

Palabras clave: CMCcelulosa; ácido monocloroacético; eterificación; modificación

Carboximetilcelulosaes el éter de celulosa más producido y vendido en el mundo. Es ampliamente utilizado en detergentes, alimentos, pasta de dientes, textiles, impresión y teñido, fabricación de papel, petróleo, minería, medicina, cerámica, componentes electrónicos, caucho, pinturas, pesticidas, cosméticos, cuero, plásticos y extracción de petróleo, etc., conocidos como “glutamato monosódico industrial”. La carboximetilcelulosa es un derivado del éter de celulosa soluble en agua que se obtiene modificando químicamente la celulosa natural. La celulosa, principal materia prima para la producción de carboximetilcelulosa, es uno de los recursos naturales renovables más abundantes del planeta, con una producción anual de cientos de miles de millones de toneladas. Mi país es un gran país agrícola y uno de los países con los recursos de paja más abundantes. La paja siempre ha sido uno de los principales combustibles para los residentes rurales. Estos recursos no se han aprovechado racionalmente desde hace mucho tiempo y cada año se utiliza en el mundo menos del 2% de los residuos agrícolas y forestales, como la paja. El arroz es el principal cultivo económico en la provincia de Heilongjiang, con una superficie de plantación de más de 2 millones de hm2, una producción anual de 14 millones de toneladas de arroz y 11 millones de toneladas de paja. Los agricultores generalmente los queman directamente en el campo como desechos, lo que no sólo supone un enorme desperdicio de recursos naturales, sino que también provoca una grave contaminación del medio ambiente. Por lo tanto, lograr el aprovechamiento de los recursos de la paja es una necesidad de la estrategia de desarrollo sostenible de la agricultura.

1. Materiales y métodos experimentales.

1.1 Materiales y equipos experimentales.

Celulosa de paja, de elaboración propia en laboratorio; J.J.~1 tipo batidora eléctrica, fábrica de instrumentos experimentales Jintan Guowang; SHZW2C tipo RS—Una bomba de vacío, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; medidor de pH pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; Horno de secado a temperatura constante con calefacción eléctrica DGG-9070A, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; Microscopio electrónico de barrido HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments; etanol; hidróxido de sodio; ácido cloroacético, etc. (los reactivos anteriores son analíticamente puros).

1.2 Método experimental

1.2.1 Preparación de carboximetilcelulosa.

(1) Método de preparación de carboximetilcelulosa: pesar 2 g de celulosa en un matraz de tres bocas, añadir 2,8 g de NaOH, 20 ml de solución de etanol al 75 % y remojar en álcali en un baño de agua a temperatura constante a 25°C durante 80 min. Revuelva con una batidora para combinar bien. Durante este proceso, la celulosa reacciona con una solución alcalina para formar celulosa alcalina. En la etapa de eterificación, agregue 10 ml de solución de etanol al 75 % y 3 g de ácido cloroacético al matraz de tres bocas que reaccionó anteriormente, aumente la temperatura a 65-70° C., y reaccionar durante 60 minutos. Agregue álcali por segunda vez, luego agregue 0,6 g de NaOH al matraz de reacción anterior para mantener la temperatura a 70°C, y el tiempo de reacción es de 40 min para obtener Na crudo—CMC (carboximetilcelulosa sódica).

Neutralización y lavado: añadir 1moL·L-1 ácido clorhídrico y neutralizar la reacción a temperatura ambiente hasta pH = 7 ~ 8. Luego lavar dos veces con etanol al 50%, luego lavar una vez con etanol al 95%, filtrar con succión y secar a 80-90°C durante 2 horas.

(2) Determinación del grado de sustitución de la muestra: método de determinación del medidor de acidez: pesar 0,2 g (con una precisión de 0,1 mg) de la muestra de Na-CMC purificada y seca, disolverla en 80 ml de agua destilada, agitarla electromagnéticamente durante 10 minutos y ajustar. con ácido o álcali. La solución llevó el pH de la solución a 8. Luego titule la solución de prueba con una solución estándar de ácido sulfúrico en un vaso de precipitados equipado con un electrodo de medidor de pH y observe la indicación del medidor de pH mientras titula hasta que el pH sea 3.74. Anotar el volumen de solución estándar de ácido sulfúrico utilizado.

1.2.2 Método de prueba de factor único

(1) El efecto de la cantidad de álcali sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa: realizar la alcalinización a 25℃, inmersión en álcali durante 80 minutos, la concentración en solución de etanol es del 75 %, controle la cantidad de reactivo de ácido monocloroacético 3 g, la temperatura de eterificación es de 65 ~ 70°C, el tiempo de eterificación fue de 100 minutos y se cambió la cantidad de hidróxido de sodio para la prueba.

(2) El efecto de la concentración de la solución de etanol sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa: la cantidad de álcali fijado es 3,2 g, inmersión alcalina en un baño de agua a temperatura constante a 25°C durante 80 minutos, la concentración de la solución de etanol es del 75%, la cantidad de reactivo de ácido monocloroacético se controla a 3 g, eterificación La temperatura es 65-70°C, el tiempo de eterificación es de 100 min y la concentración de la solución de etanol se cambia para el experimento.

(3) El efecto de la cantidad de ácido monocloroacético sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa: fijar en 25°C para alcalinización, remojar en álcali durante 80 minutos, agregar 3,2 g de hidróxido de sodio para que la concentración de la solución de etanol sea del 75 %, éter La temperatura es 65 ~ 70°C, el tiempo de eterificación es de 100 minutos y la cantidad de ácido monocloroacético se cambia para el experimento.

(4) Efecto de la temperatura de eterificación sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa: fijar en 25°C para alcalinización, remojar en álcali durante 80 minutos, agregar 3,2 g de hidróxido de sodio para que la concentración de la solución de etanol sea del 75 %, temperatura de eterificación La temperatura es 65 ~ 70℃, el tiempo de eterificación es de 100 min y el experimento se lleva a cabo cambiando la dosis de ácido monocloroacético.

(5) Efecto del tiempo de eterificación sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa: fijado en 25°C para alcalinización, se agregaron 3,2 g de hidróxido de sodio y se sumergió en álcali durante 80 minutos para que la concentración de la solución de etanol fuera del 75% y se controló el monocloro. La dosis de reactivo de ácido acético es de 3 g, la temperatura de eterificación es de 65 ~ 70°C, y se cambia el tiempo de eterificación para el experimento.

1.2.3 Plan de pruebas y optimización de carboximetilcelulosa.

Sobre la base del experimento de un solo factor, se diseñó un experimento combinado de rotación ortogonal de regresión cuadrática con cuatro factores y cinco niveles. Los cuatro factores son el tiempo de eterificación, la temperatura de eterificación, la cantidad de NaOH y la cantidad de ácido monocloroacético. El procesamiento de datos utiliza el software estadístico SAS8.2 para el procesamiento de datos, que revela la relación entre cada factor influyente y el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa. ley interior.

1.2.4 Método de análisis SEM

La muestra de polvo seco se fijó en la plataforma de muestra con pegamento conductor y, después de pulverizar oro al vacío, se observó y fotografió bajo un microscopio electrónico de barrido Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Resultados y análisis

2.1 Efecto de un solo factor sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa

2.1.1 El efecto de la cantidad de álcali sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa.

Cuando se añadieron 3,2 g de NaOH a 2 g de celulosa, el grado de sustitución del producto fue el más alto. La cantidad de NaOH se reduce, lo que no es suficiente para formar la neutralización de la celulosa alcalina y el agente de eterificación, y el producto tiene un pequeño grado de sustitución y baja viscosidad. Por el contrario, si la cantidad de NaOH es demasiada, las reacciones secundarias durante la hidrólisis del ácido cloroacético aumentarán, aumentará el consumo de agente eterificante y también disminuirá la viscosidad del producto.

2.1.2 Efecto de la concentración de la solución de etanol sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa

Parte del agua en la solución de etanol existe en el medio de reacción fuera de la celulosa y la otra parte existe en la celulosa. Si el contenido de agua es demasiado grande, la CMC se hinchará en agua para formar gelatina durante la eterificación, lo que dará como resultado una reacción muy desigual; Si el contenido de agua es demasiado pequeño, será difícil que la reacción se desarrolle debido a la falta de medio de reacción. Generalmente, el etanol al 80% es el disolvente más adecuado.

2.1.3 Efecto de la dosificación de ácido monocloroacético sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa

La cantidad de ácido monocloroacético e hidróxido de sodio es teóricamente 1:2, pero para mover la reacción en la dirección de generar CMC, asegúrese de que haya una base libre adecuada en el sistema de reacción, para que la carboximetilación pueda realizarse sin problemas. Por esta razón, se adopta el método del exceso de álcali, es decir, la proporción molar de sustancias ácidas y alcalinas es 1:2,2.

2.1.4 Efecto de la temperatura de eterificación sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa

Cuanto mayor es la temperatura de eterificación, más rápida es la velocidad de reacción, pero las reacciones secundarias también se aceleran. Desde la perspectiva del equilibrio químico, el aumento de temperatura es desfavorable para la formación de CMC, pero si la temperatura es demasiado baja, la velocidad de reacción es lenta y la tasa de utilización del agente eterificante es baja. Se puede observar que la temperatura óptima para la eterificación es 70°C.

2.1.5 Efecto del tiempo de eterificación sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa

Con el aumento del tiempo de eterificación, el grado de sustitución de CMC aumenta y la velocidad de reacción se acelera, pero después de un cierto tiempo, las reacciones secundarias aumentan y el grado de sustitución disminuye. Cuando el tiempo de eterificación es de 100 min, el grado de sustitución es máximo.

2.2 Resultados de pruebas ortogonales y análisis de grupos carboximetilo.

Se puede observar en la tabla de análisis de varianza que en el ítem principal, los cuatro factores de tiempo de eterificación, temperatura de eterificación, cantidad de NaOH y cantidad de ácido monocloroacético tienen un impacto muy significativo en el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa (p <0,01). Entre los elementos de interacción, los elementos de interacción del tiempo de eterificación y la cantidad de ácido monocloroacético, y los elementos de interacción de la temperatura de eterificación y la cantidad de ácido monocloroacético tuvieron un efecto muy significativo sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa (p<0,01). El orden de influencia de varios factores sobre el grado de sustitución de la carboximetilcelulosa fue: temperatura de eterificación > cantidad de ácido monocloroacético > tiempo de eterificación > cantidad de NaOH.

Después del análisis de los resultados de la prueba del diseño de combinación de rotación ortogonal de regresión cuadrática, se puede determinar que las condiciones óptimas del proceso para la modificación por carboximetilación son: tiempo de eterificación 100 min, temperatura de eterificación 70℃, dosis de NaOH 3,2 gy ácido monocloroacético La dosis es 3,0 gy el grado máximo de sustitución es 0,53.

2.3 Caracterización microscópica del desempeño.

La morfología de la superficie de la celulosa, la carboximetilcelulosa y las partículas de carboximetilcelulosa reticulada se estudió mediante microscopía electrónica de barrido. La celulosa crece en forma de tira con una superficie lisa; el borde de la carboximetilcelulosa es más rugoso que el de la celulosa extraída, y la estructura de la cavidad aumenta y el volumen aumenta. Esto se debe a que la estructura del haz se hace más grande debido al hinchamiento de la carboximetilcelulosa.

3. Conclusión

3.1 Preparación de celulosa carboximetil eterificada El orden de importancia de los cuatro factores que afectan el grado de sustitución de la celulosa es: temperatura de eterificación > dosis de ácido monocloroacético > tiempo de eterificación > dosis de NaOH. Las condiciones óptimas del proceso de modificación por carboximetilación son tiempo de eterificación de 100 min y temperatura de eterificación de 70ºC.℃, dosis de NaOH 3,2 g, dosis de ácido monocloroacético 3,0 gy grado máximo de sustitución 0,53.

3.2 Las condiciones tecnológicas óptimas para la modificación por carboximetilación son: tiempo de eterificación 100 min, temperatura de eterificación 70℃, dosis de NaOH 3,2 g, dosis de ácido monocloroacético 3,0 g, grado máximo de sustitución 0,53.