هیدروکسی اتیل سلولز چگونه ساخته می شود؟

هیدروکسی اتیل سلولز (HEC) یک پلیمر معمولی محلول در آب است که به طور گسترده در مواد شیمیایی روزانه، ساخت و ساز، پوشش‌ها، دارو، غذا و سایر صنایع استفاده می‌شود. این یک اتر سلولزی غیر یونی است که با اصلاح شیمیایی سلولز طبیعی ساخته می شود. فرآیند تولید هیدروکسی اتیل سلولز شامل واکنش های شیمیایی پیچیده ای از جمله استخراج سلولز، عملیات قلیایی سازی، واکنش اتریفیکاسیون و غیره است. در ادامه به معرفی دقیق فرآیند ساخت آن می پردازیم.

1. انتخاب مواد خام و استخراج سلولز
ماده اولیه اولیه هیدروکسی اتیل سلولز سلولز طبیعی است که عمدتاً از چوب، پنبه یا سایر الیاف گیاهی به دست می آید. محتوای سلولز در دیواره های سلولی گیاه زیاد است و سلولز خالص را می توان از این مواد طبیعی به روش های مکانیکی یا شیمیایی استخراج کرد. فرآیند استخراج شامل خرد کردن، حذف ناخالصی ها (مانند لیگنین، همی سلولز)، سفید کردن و مراحل دیگر است.

استخراج سلولزی: سلولز طبیعی معمولاً به صورت مکانیکی یا شیمیایی برای حذف مواد غیر سلولزی برای به دست آوردن سلولز با خلوص بالا عمل آوری می شود. الیاف پنبه، خمیر چوب و غیره همگی می توانند منابع رایج مواد خام باشند. در طول فرآیند تصفیه، قلیایی (مانند هیدروکسید سدیم) برای کمک به حل کردن اجزای غیر سلولزی استفاده می شود و باقیمانده عمدتاً سلولز است.
2. درمان قلیایی
ابتدا سلولز خالص شده باید قلیایی شود. این مرحله برای فعال‌تر کردن گروه‌های هیدروکسیل روی زنجیره مولکولی سلولز است تا بتوانند راحت‌تر با عامل اتریف کننده واکنش نشان دهند. مراحل اصلی تصفیه قلیایی به شرح زیر است:

واکنش سلولز با قلیایی: سلولز با یک قلیایی قوی (معمولاً هیدروکسید سدیم) مخلوط می شود تا سلولز قلیایی (قلیایی سلولز) تولید شود. این فرآیند معمولاً در محیط آبی انجام می شود. سلولز قلیایی محصول واکنش سلولز و هیدروکسید سدیم است. این ماده ساختار شلتر و واکنش پذیری بالاتری دارد که منجر به واکنش اتریفیکاسیون بعدی می شود.
فرآیند قلیایی شدن عمدتاً در دما و رطوبت مناسب، معمولاً در محدوده 20 تا 30 درجه سانتیگراد برای چند ساعت انجام می شود تا اطمینان حاصل شود که گروه های هیدروکسیل در مولکول های سلولز کاملاً فعال می شوند.

3. واکنش اتریفیکاسیون
اتریفیکاسیون یک مرحله کلیدی در تولید هیدروکسی اتیل سلولز است. هیدروکسی اتیل سلولز از واکنش سلولز قلیایی با اکسید اتیلن برای معرفی گروه های هیدروکسی اتیل تولید می شود. مراحل مشخص به شرح زیر است:

واکنش با اکسید اتیلن: سلولز قلیایی با مقدار مشخصی اکسید اتیلن تحت شرایط دما و فشار معین واکنش می دهد. ساختار حلقه در اکسید اتیلن برای تشکیل پیوند اتری باز می شود، با گروه های هیدروکسیل موجود در مولکول های سلولز واکنش می دهد و گروه های هیدروکسی اتیل (-CH2CH2OH) را معرفی می کند. این فرآیند می تواند درجه اتریفیکاسیون را با کنترل شرایط واکنش (مانند دما، فشار و زمان) تنظیم کند.
واکنش معمولاً در یک محیط قلیایی انجام می شود تا از کارایی اتریفیکاسیون اطمینان حاصل شود. دمای واکنش به طور کلی 50 ℃ ~ 100 ℃ است و زمان واکنش چندین ساعت است. با تنظیم مقدار اکسید اتیلن می توان درجه جایگزینی محصول نهایی را کنترل کرد، یعنی اینکه چند گروه هیدروکسیل در مولکول های سلولز با گروه های هیدروکسی اتیل جایگزین می شوند.

4. خنثی سازی و شستشو
پس از تکمیل واکنش اتریفیکاسیون، مواد قلیایی در سیستم واکنش باید خنثی شوند. خنثی کننده های رایج مواد اسیدی مانند اسید استیک یا اسید هیدروکلریک هستند. فرآیند خنثی سازی، قلیایی اضافی را به نمک خنثی می کند، که تأثیری بر عملکرد محصول نخواهد داشت.

واکنش خنثی سازی: محصول را از راکتور خارج کرده و مقدار مناسبی اسید برای خنثی سازی اضافه کنید تا مقدار pH در سیستم خنثی شود. این فرآیند نه تنها قلیایی باقیمانده را حذف می کند، بلکه تأثیر محصولات جانبی واکنش را بر عملکرد هیدروکسی اتیل سلولز نیز کاهش می دهد.

شستشو و آبگیری: محصول خنثی شده باید چندین بار شسته شود، معمولاً با آب یا اتانول و سایر حلال ها برای شستشوی ناخالصی های باقی مانده و محصولات جانبی. محصول شسته شده با سانتریفیوژ، فیلتر پرس و روش های دیگر آبگیری می شود تا رطوبت را کاهش دهد.

5. خشک کردن و خرد کردن
پس از شستشو و آبگیری، هیدروکسی اتیل سلولز همچنان حاوی مقدار مشخصی رطوبت است و باید بیشتر خشک شود. فرآیند خشک کردن را می توان با خشک کردن هوا یا خشک کردن خلاء انجام داد تا اطمینان حاصل شود که محصول در طول ذخیره سازی و استفاده از پایداری خوبی برخوردار است.

خشک کردن: محصول را در دمای معینی (معمولاً زیر 60 درجه سانتیگراد) خشک کنید تا رطوبت باقیمانده از بین برود. دمای خشک کردن نباید خیلی بالا باشد، در غیر این صورت ممکن است باعث تخریب محصول شود و عملکرد آن را تحت تأثیر قرار دهد.

خرد کردن و غربالگری: هیدروکسی اتیل سلولز خشک شده معمولاً به صورت بلوک یا توده وجود دارد و برای بدست آوردن پودر ریز باید خرد شود. محصول خرد شده همچنین باید غربال شود تا توزیع اندازه ذرات به دست آید که الزامات را برای اطمینان از حلالیت و پراکندگی آن در کاربردهای عملی برآورده کند.

6. تست و بسته بندی محصولات نهایی
پس از ساخت، هیدروکسی اتیل سلولز باید از نظر کیفیت مورد آزمایش قرار گیرد تا اطمینان حاصل شود که شاخص های عملکرد آن مطابق با الزامات استاندارد هستند. موارد آزمایش معمولاً شامل:

اندازه گیری ویسکوزیته: ویسکوزیته هیدروکسی اتیل سلولز پس از حل شدن در آب یک شاخص کیفیت مهم است که بر استفاده از آن در پوشش ها، ساخت و ساز، مواد شیمیایی روزانه و سایر زمینه ها تأثیر می گذارد.
محتوای رطوبت: میزان رطوبت محصول را برای اطمینان از پایداری ذخیره سازی آن تست کنید.
درجه جانشینی (DS) و جایگزینی مولر (MS): برای اطمینان از تأثیر واکنش اتریفیکاسیون، درجه جانشینی و جایگزینی مولی در محصول را از طریق تجزیه و تحلیل شیمیایی تعیین کنید.
پس از گذراندن آزمایش، هیدروکسی اتیل سلولز در محصولات پودری یا دانه‌ای، معمولاً در کیسه‌های پلاستیکی ضد رطوبت یا کیسه‌های کاغذی بسته‌بندی می‌شود تا از مرطوب یا آلوده شدن آن جلوگیری شود.

فرآیند تولید هیدروکسی اتیل سلولز عمدتاً شامل مراحل استخراج سلولز، تصفیه قلیایی، واکنش اتریفیکاسیون، خنثی سازی و شستشو، خشک کردن و خرد کردن است. کل فرآیند به قلیایی شدن و اتریفیکاسیون در واکنش شیمیایی بستگی دارد و سلولز با معرفی گروه های هیدروکسی اتیل خاصیت حلالیت در آب و خاصیت ضخیم شدن خوبی دارد. هیدروکسی اتیل سلولز به طور گسترده در بسیاری از صنایع مانند غلیظ کننده برای پوشش ها، عامل نگهدارنده آب برای مصالح ساختمانی، تثبیت کننده در محصولات شیمیایی روزانه و غیره استفاده می شود. از محصول