واکنش اتریفیکاسیون روی اتر سلولز

فعالیت اتریفیکاسیون سلولز به ترتیب با دستگاه خمیر و راکتور همزن بررسی شد و هیدروکسی اتیل سلولز و کربوکسی متیل سلولز به ترتیب با کلرواتانول و مونوکلرواستیک اسید تهیه شدند. نتایج نشان داد که واکنش اتریفیکاسیون سلولز با همزدن راکتور تحت شرایط هم زدن با شدت بالا انجام شد. سلولز واکنش اتریفیکاسیون خوبی دارد که بهتر از روش خمیر کن در بهبود راندمان اتریفیکاسیون و افزایش انتقال نور محصول در محلول آبی است. بنابراین، بهبود شدت هم زدن فرآیند واکنش راه بهتری برای توسعه جایگزینی اتریفیکاسیون سلولزی همگن است. محصولات

کلمات کلیدی:واکنش اتریفیکاسیون؛ سلولز؛هیدروکسی اتیل سلولز; کربوکسی متیل سلولز

در توسعه محصولات اتر سلولز پنبه تصفیه شده، روش حلال به طور گسترده ای استفاده می شود و دستگاه خمیر به عنوان تجهیزات واکنش استفاده می شود. با این حال، سلولز پنبه عمدتاً از نواحی کریستالی تشکیل شده است که در آن مولکول‌ها به طور منظم و نزدیک چیده شده‌اند. هنگامی که دستگاه خمیر به عنوان تجهیزات واکنش استفاده می شود، بازوی ورز دهنده دستگاه خمیر در طول واکنش کند است و مقاومت عامل اتریف کننده برای ورود به لایه های مختلف سلولز زیاد است و سرعت پایین است، و در نتیجه زمان واکنش طولانی، نسبت بالا از طرف. واکنش ها و توزیع نابرابر گروه های جایگزین بر روی زنجیره های مولکولی سلولز.

معمولاً واکنش اتریفیکاسیون سلولز یک واکنش ناهمگن در خارج و داخل است. اگر عمل دینامیکی خارجی وجود نداشته باشد، عامل اتریف کننده به سختی وارد منطقه تبلور سلولز می شود. و از طریق پیش تصفیه پنبه تصفیه شده (مانند استفاده از روش های فیزیکی برای افزایش سطح پنبه تصفیه شده)، همزمان با راکتور همزن برای تجهیزات واکنش، با استفاده از واکنش اتریفیکاسیون سریع هم زدن، سلولز می تواند به شدت متورم شود، تورم ناحیه آمورف سلولز و ناحیه تبلور تمایل به سازگاری دارد، فعالیت واکنش را بهبود می بخشد. توزیع همگن جایگزین های اتر سلولز در سیستم واکنش اتریفیکاسیون ناهمگن را می توان با افزایش قدرت همزن خارجی به دست آورد. بنابراین، جهت توسعه آینده کشور ما توسعه محصولات اتریفیکاسیون سلولزی با کیفیت بالا با کتری واکنش نوع همزده به عنوان تجهیزات واکنش خواهد بود.

1. بخش تجربی

1.1 مواد خام سلولز پنبه تصفیه شده برای آزمایش

با توجه به تجهیزات واکنش مختلف مورد استفاده در آزمایش، روش های پیش تصفیه سلولز پنبه متفاوت است. هنگامی که خمیر کن به عنوان تجهیزات واکنش استفاده می شود، روش های پیش تصفیه نیز متفاوت است. هنگامی که خمیر کن به عنوان تجهیزات واکنش استفاده می شود، بلورینگی سلولز پنبه تصفیه شده 43.9٪ است و طول متوسط ​​سلولز پنبه تصفیه شده 15 تا 20 میلی متر است. بلورینگی سلولز پنبه تصفیه شده 32.3٪ است و طول متوسط ​​سلولز پنبه تصفیه شده کمتر از 1 میلی متر است که از راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش استفاده می شود.

1.2 توسعه کربوکسی متیل سلولز و هیدروکسی اتیل سلولز

تهیه کربوکسی متیل سلولز و هیدروکسی اتیل سلولز را می توان با استفاده از خمیر 2 لیتری به عنوان تجهیزات واکنش (متوسط ​​سرعت در طی واکنش 50r/min) و راکتور همزن 2 لیتری به عنوان تجهیزات واکنش (متوسط ​​سرعت در حین واکنش 500r/min) انجام داد.

در طول واکنش، تمام مواد خام از واکنش کمی دقیق مشتق می شوند. محصول به دست آمده از واکنش با اتانول w=95% شسته شده و سپس در خلاء به مدت 24 ساعت تحت فشار منفی 60 درجه سانتیگراد و 0.005 MPa خشک می شود. رطوبت نمونه به دست آمده w=2.7%±0.3% است و نمونه محصول برای آنالیز تا زمانی که مقدار خاکستر w < 0.2% شسته شود.

مراحل آماده سازی دستگاه خمیر به عنوان تجهیزات واکنش به شرح زیر است:

واکنش اتریفیکاسیون → شستشوی محصول → خشک کردن → دانه بندی رنده شده → بسته بندی در خمیرگیر انجام می شود.

مراحل آماده سازی راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش به شرح زیر است:

واکنش اتریفیکاسیون → شستشوی محصول → خشک کردن و دانه بندی → بسته بندی در یک راکتور همزده انجام می شود.

مشاهده می شود که خمیر کن به عنوان تجهیزات واکنش برای تهیه ویژگی های راندمان واکنش پایین، خشک کردن و آسیاب دانه بندی مرحله به مرحله استفاده می شود و کیفیت محصول در فرآیند آسیاب به شدت کاهش می یابد.

ویژگی های فرآیند آماده سازی با راکتور هم زده به عنوان تجهیزات واکنش به شرح زیر است: راندمان واکنش بالا، دانه بندی محصول از روش سنتی فرآیند دانه بندی خشک کردن و آسیاب استفاده نمی کند و فرآیند خشک کردن و دانه بندی همزمان با آن انجام می شود. محصولات خشک نشده پس از شستشو، و کیفیت محصول در فرآیند خشک کردن و دانه بندی بدون تغییر باقی می ماند.

1.3 تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس

تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس توسط پراش سنج ریگاکو D/max-3A، تک رنگ گرافیت، زاویه Θ 8 تا 30 درجه، پرتو CuKα، فشار لوله و جریان لوله 30 کیلو ولت و 30 میلی آمپر انجام شد.

1.4 تجزیه و تحلیل طیف مادون قرمز

طیف سنج مادون قرمز Spectrum-2000PE FTIR برای تجزیه و تحلیل طیف مادون قرمز استفاده شد. وزن تمام نمونه‌ها برای آنالیز طیف مادون قرمز 0.0020 گرم بود. این نمونه ها به ترتیب با 0.1600 گرم KBr مخلوط شده و سپس (با ضخامت کمتر از 0.8 میلی متر) فشرده و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.

1.5 تشخیص انتقال

انتقال توسط اسپکتروفتومتر 721 شناسایی شد. محلول CMC w=w1% در یک ظرف رنگ سنجی 1 سانتی متری در طول موج 590 نانومتر قرار داده شد.

1.6 درجه تشخیص جایگزینی

درجه جایگزینی HEC هیدروکسی اتیل سلولز با روش استاندارد آنالیز شیمیایی اندازه گیری شد. اصل این است که HEC را می توان با HI hydroiodate در دمای 123 ℃ تجزیه کرد و درجه جایگزینی HEC را می توان با اندازه گیری مواد تجزیه شده اتیلن و اتیلن یدید تولید شده دانست. درجه جایگزینی هیدروکسی متیل سلولز را نیز می توان با روش های استاندارد آنالیز شیمیایی آزمایش کرد.

2. نتایج و بحث

در اینجا از دو نوع کتری واکنش استفاده می شود: یکی دستگاه خمیر به عنوان تجهیزات واکنش، دیگری کتری واکنش نوع همزن به عنوان تجهیزات واکنش، در سیستم واکنش ناهمگن، شرایط قلیایی و سیستم حلال آب الکلی، واکنش اتریفیکاسیون سلولز پنبه تصفیه شده مورد مطالعه قرار می گیرد. از جمله ویژگی های تکنولوژیکی ماشین خمیر به عنوان تجهیزات واکنش عبارتند از: در واکنش، سرعت بازوی ورز دهنده کند است، زمان واکنش طولانی است، نسبت واکنش های جانبی زیاد است، میزان استفاده از عامل اتریف کننده کم است و یکنواختی توزیع گروهی جایگزین در واکنش اتریزاسیون ضعیف است. فرآیند تحقیق را فقط می توان به شرایط واکنش نسبتاً محدود محدود کرد. علاوه بر این، قابلیت تنظیم و کنترل شرایط واکنش اصلی (مانند نسبت حمام، غلظت قلیایی، سرعت بازوی ورز دادن ماشین خمیر) بسیار ضعیف است. دستیابی به یکنواختی تقریبی واکنش اتریفیکاسیون و مطالعه انتقال جرم و نفوذ فرآیند واکنش اتریفیکاسیون در عمق دشوار است. ویژگی های فرآیندی راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش عبارتند از: سرعت همزدن سریع در واکنش، سرعت واکنش سریع، سرعت استفاده بالا از عامل اتریزه کننده، توزیع یکنواخت جایگزین های اتری، شرایط واکنش اصلی قابل تنظیم و کنترل.

کربوکسی متیل سلولز CMC به ترتیب توسط تجهیزات واکنش خمیر کن و تجهیزات واکنش راکتور همزن تهیه شد. هنگامی که خمیر کن به عنوان تجهیزات واکنش استفاده می شد، شدت هم زدن کم بود و متوسط ​​سرعت چرخش 50r/min بود. هنگامی که راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش استفاده می شد، شدت هم زدن بالا بود و متوسط ​​سرعت چرخش 500r/min بود. هنگامی که نسبت مولی اسید مونوکلرواستیک به مونوساکارید سلولز 1:5:1 بود، زمان واکنش 1.5 ساعت در دمای 68 درجه سانتیگراد بود. عبور نور CMC به دست آمده با دستگاه خمیر 98.02 درصد و راندمان اتریفیکاسیون 72 درصد به دلیل نفوذپذیری خوب CM در عامل اتریف کننده اسید کلرواستیک بود. هنگامی که راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش استفاده شد، نفوذپذیری عامل اتریف کننده بهتر بود، انتقال CMC 99.56٪ بود و راندمان واکنش اتری به 81٪ افزایش یافت.

هیدروکسی اتیل سلولز HEC با خمیر کن و راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش تهیه شد. هنگامی که خمیر گیر به عنوان تجهیزات واکنش استفاده شد، راندمان واکنش عامل اتریزه کننده 47 درصد و حلالیت در آب زمانی که نفوذپذیری عامل اتر کننده کلرواتیل الکل ضعیف بود و نسبت مولی کلرواتانول به مونوساکارید سلولز 3:1 در دمای 60 درجه سانتیگراد برای 4 ساعت بود ضعیف بود. . تنها زمانی که نسبت مولی کلرواتانول به مونوساکاریدهای سلولز 6:1 باشد، می توان محصولاتی با حلالیت خوب در آب تشکیل داد. هنگامی که راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش استفاده شد، نفوذپذیری عامل اتریفیکاسیون کلرواتیل الکل در دمای 68 درجه سانتیگراد برای 4 ساعت بهتر شد. هنگامی که نسبت مولی کلرواتانول به مونوساکارید سلولز 3:1 بود، HEC حاصل از حلالیت آب بهتری برخوردار بود و راندمان واکنش اتریفیکاسیون به 66 درصد افزایش یافت.

راندمان واکنش و سرعت واکنش عامل اتریزه کننده کلرواستیک اسید بسیار بالاتر از کلرواتانول است و راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش اتریزاسیون دارای مزایای آشکاری نسبت به خمیر کن است که راندمان واکنش اتریزاسیون را تا حد زیادی بهبود می بخشد. قابلیت انتقال بالای CMC همچنین به طور غیرمستقیم نشان می‌دهد که راکتور هم‌زن به عنوان تجهیزات واکنش اتریزاسیون می‌تواند همگنی واکنش اتری‌سازی را بهبود بخشد. این به این دلیل است که زنجیره سلولز دارای سه گروه هیدروکسیل بر روی هر حلقه گروه گلوکز است و تنها در حالت متورم یا محلول به همه جفت‌های هیدروکسیل سلولز مولکول‌های عامل اتریف کننده در دسترس هستند. واکنش اتریفیکاسیون سلولز معمولاً یک واکنش ناهمگن از بیرون به داخل به خصوص در ناحیه کریستالی سلولز است. هنگامی که ساختار بلوری سلولز بدون تأثیر نیروی خارجی دست نخورده باقی می ماند، عامل اتریف کننده به سختی وارد ساختار کریستالی می شود و بر همگنی واکنش ناهمگن تأثیر می گذارد. بنابراین، با پیش تصفیه پنبه تصفیه شده (مانند افزایش سطح ویژه پنبه تصفیه شده)، می توان واکنش پذیری پنبه تصفیه شده را بهبود بخشید. در نسبت حمام بزرگ (اتانول/سلولز یا ایزوپروپیل الکل/سلولز و واکنش همزن با سرعت بالا، طبق استدلال، ترتیب ناحیه تبلور سلولز کاهش می یابد، در این زمان سلولز می تواند به شدت متورم شود، به طوری که تورم منطقه آمورف و بلوری سلولز تمایل به سازگاری دارد، بنابراین، واکنش پذیری ناحیه آمورف و ناحیه کریستالی مشابه است.

با استفاده از تجزیه و تحلیل طیف مادون قرمز و تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، فرآیند واکنش اتریفیکاسیون سلولز را می توان با وضوح بیشتری درک کرد زمانی که راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش اتریفیکاسیون استفاده می شود.

در اینجا، طیف مادون قرمز و طیف پراش اشعه ایکس مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. واکنش اتریفیکاسیون CMC و HEC در یک راکتور هم زده تحت شرایط واکنشی که در بالا توضیح داده شد انجام شد.

تجزیه و تحلیل طیف مادون قرمز نشان می دهد که واکنش اتراسیون CMC و HEC به طور منظم با افزایش زمان واکنش تغییر می کند، درجه جایگزینی متفاوت است.

از طریق تجزیه و تحلیل الگوی پراش اشعه ایکس، تبلور CMC و HEC با افزایش زمان واکنش به صفر می‌رسد، که نشان می‌دهد فرآیند تبلور زدایی اساساً در مرحله قلیایی شدن و مرحله گرمایش قبل از واکنش اتریفیکاسیون پنبه تصفیه شده تحقق یافته است. . بنابراین، واکنش پذیری کربوکسی متیل و هیدروکسی اتیل اتریفیکاسیون پنبه تصفیه شده دیگر عمدتاً توسط کریستالینی بودن پنبه تصفیه شده محدود نمی شود. این مربوط به نفوذپذیری عامل اتریف کننده است. می توان نشان داد که واکنش اتریفیکاسیون CMC و HEC با راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش انجام می شود. تحت همزن با سرعت بالا، برای فرآیند تبلور زدایی پنبه تصفیه شده در مرحله قلیایی شدن و مرحله حرارت دادن قبل از واکنش اتریفیکاسیون مفید است و به نفوذ عامل اتریفیکاسیون به داخل سلولز کمک می کند تا راندمان واکنش اتریفیکاسیون و یکنواختی جایگزینی را بهبود بخشد. .

در نتیجه، این مطالعه بر تأثیر قدرت همزن و سایر عوامل بر راندمان واکنش در طول فرآیند واکنش تأکید دارد. بنابراین، پیشنهاد این مطالعه بر اساس دلایل زیر است: در سیستم واکنش اتراسیون ناهمگن، استفاده از نسبت حمام زیاد و شدت هم زدن بالا و غیره، شرایط اساسی برای تهیه اتر سلولزی تقریباً همگن با گروه جانشین است. توزیع؛ در یک سیستم واکنش اتراسیون ناهمگن خاص، اتر سلولز با عملکرد بالا با توزیع تقریباً یکنواخت جانشین‌ها را می‌توان با استفاده از راکتور همزن به عنوان تجهیزات واکنش تهیه کرد که نشان می‌دهد محلول آبی اتر سلولز قابلیت عبور بالایی دارد که برای گسترش خواص اهمیت زیادی دارد. و عملکرد اتر سلولز دستگاه خمیر به عنوان تجهیزات واکنش برای مطالعه واکنش اتریفیکاسیون پنبه تصفیه شده استفاده می شود. به دلیل شدت هم زدن کم، برای نفوذ عامل اتریفیکاسیون خوب نیست و دارای معایبی از جمله نسبت زیاد واکنش‌های جانبی و یکنواختی توزیع ضعیف جایگزین‌های اتریفیکاسیون است.