Celulosa CMC e caracterización da súa estrutura

Usando celulosa de palla como materia prima, foi modificada por eterificación. Mediante a proba de factor único e de rotación, determináronse as condicións óptimas para a preparación da carboximetil celulosa: tempo de eterificación 100 min, temperatura de eterificación 70℃, Dosificación de NaOH 3,2 g e dosificación de ácido monocloroacético 3,0 g, a substitución máxima O grao é 0,53.

Palabras clave: CMCcelulosa; ácido monocloroacético; eterificación; modificación

Carboximetil celulosaé o éter de celulosa máis producido e vendido no mundo. É amplamente utilizado en deterxentes, alimentos, pasta de dentes, téxtil, impresión e tingimento, fabricación de papel, petróleo, minería, medicina, cerámica, compoñentes electrónicos, caucho, pinturas, pesticidas, cosméticos, coiro, plásticos e perforación petrolífera, etc. como "glutamato monosódico industrial". A carboximetil celulosa é un derivado de éter de celulosa soluble en auga obtido modificando químicamente a celulosa natural. A celulosa, a principal materia prima para a produción de carboximetil celulosa, é un dos recursos naturais renovables máis abundantes do planeta, cunha produción anual de centos de miles de millóns de toneladas. o meu país é un gran país agrícola e un dos países con máis abundantes recursos de palla. A palla sempre foi un dos principais combustibles vivos para os veciños do rural. Estes recursos levaban moito tempo sen desenvolver racionalmente, e menos do 2% dos residuos agrícolas e forestais como a palla úsanse no mundo cada ano. O arroz é o principal cultivo económico da provincia de Heilongjiang, cunha superficie de plantación de máis de 2 millóns de hm2, unha produción anual de 14 millóns de toneladas de arroz e 11 millóns de toneladas de palla. Os agricultores xeralmente queiman directamente no campo como residuos, o que non só supón un enorme desperdicio de recursos naturais, senón que tamén provoca unha grave contaminación do medio ambiente. Polo tanto, entender a utilización dos recursos da palla é a necesidade da estratexia de desenvolvemento sostible da agricultura.

1. Materiais e métodos experimentais

1.1 Materiais e equipamentos experimentais

Celulosa de palla, de elaboración propia no laboratorio; JJ～1 tipo de mestura eléctrica, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory; SHZW2C tipo RS—Unha bomba de baleiro, Shanghai Pengfu Electromechanical Co, Ltd.; pH-metro pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A calefacción eléctrica forno de secado a temperatura constante, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; Microscopio electrónico de barrido HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments; etanol; hidróxido de sodio; ácido cloroacético, etc. (os reactivos anteriores son analíticamente puros).

1.2 Método experimental

1.2.1 Preparación da carboximetil celulosa

(1) O método de preparación da carboximetil celulosa: pesa 2 g de celulosa nun matraz de tres bocas, engade 2,8 g de NaOH, 20 ml de solución de etanol ao 75% e remolla en álcali nun baño de auga a temperatura constante a 25ºC.°C durante 80 min. Mestura cunha batidora para combinar ben. Durante este proceso, a celulosa reacciona coa solución alcalina para formar celulosa alcalina. Na fase de eterificación, engade 10 ml de solución de etanol ao 75% e 3 g de ácido cloroacético ao matraz de tres bocas reaccionado anteriormente, eleva a temperatura a 65-70ºC.° C., e reaccionar durante 60 minutos. Engade álcali por segunda vez, despois engade 0,6 g de NaOH ao matraz de reacción anterior para manter a temperatura a 70ºC.°C, e o tempo de reacción é de 40 min para obter Na bruto—CMC (carboximetilcelulosa sódica).

Neutralización e lavado: engadir 1 moL·ácido clorhídrico L-1, e neutralizar a reacción a temperatura ambiente ata pH=7~8. A continuación, lave dúas veces con etanol ao 50%, despois lave unha vez con etanol ao 95%, filtre con succión e seque a 80-90.°C durante 2 horas.

(2) Determinación do grao de substitución da mostra: método de determinación do medidor de acidez: Pese 0,2 g (precisión de 0,1 mg) da mostra de Na-CMC purificada e seca, disolva-a en 80 ml de auga destilada, mexa electromagnéticamente durante 10 min e axuste. con ácido ou álcali A disolución levou o pH da solución a 8. A continuación, titular a solución de proba con solución estándar de ácido sulfúrico nun vaso de precipitados equipado cun electrodo para medir o pH, e observar a indicación do medidor de pH mentres se valora ata que o pH sexa. 3,74. Anote o volume de solución estándar de ácido sulfúrico empregado.

1.2.2 Método de proba de factor único

(1) O efecto da cantidade de álcali sobre o grao de substitución da carboximetil celulosa: realizar a alcalinización a 25℃, inmersión alcalina durante 80 minutos, a concentración na solución de etanol é do 75%, controla a cantidade de reactivo de ácido monocloroacético 3g, a temperatura de eterificación é de 65 ~ 70°C, o tempo de eterificación foi de 100 minutos e cambiouse a cantidade de hidróxido de sodio para a proba.

(2) O efecto da concentración de solución de etanol sobre o grao de substitución da carboximetil celulosa: a cantidade de álcali fixo é de 3,2 g, inmersión alcalina nun baño de auga a temperatura constante a 25°C durante 80 min, a concentración de solución de etanol é do 75%, a cantidade de reactivo de ácido monocloroacético está controlada a 3 g, eterificación A temperatura é de 65-70°C, o tempo de eterificación é de 100 min, e a concentración da solución de etanol cámbiase para o experimento.

(3) O efecto da cantidade de ácido monocloroacético sobre o grao de substitución da carboximetil celulosa: fixar en 25°C para alcalinización, remollo en álcali durante 80 minutos, engadir 3,2 g de hidróxido de sodio para facer que a concentración da solución de etanol sexa do 75%, éter A temperatura é de 65 ~ 70°C, o tempo de eterificación é de 100 min, e a cantidade de ácido monocloroacético cámbiase para o experimento.

(4) Efecto da temperatura de eterificación sobre o grao de substitución da carboximetil celulosa: fixar a 25°C para alcalinización, remollo en álcali durante 80 minutos, engadir 3,2 g de hidróxido de sodio para facer que a concentración da solución de etanol sexa do 75%, temperatura de eterificación A temperatura é de 65 ~ 70℃, o tempo de eterificación é de 100 min, e o experimento realízase cambiando a dosificación de ácido monocloroacético.

(5) Efecto do tempo de eterificación sobre o grao de substitución da carboximetil celulosa: fixado en 25°C para a alcalinización, engadíronse 3,2 g de hidróxido de sodio e empaparon en álcali durante 80 minutos para facer que a concentración da solución de etanol sexa do 75% e controlouse o monocloro. A dosificación do reactivo de ácido acético é de 3 g, a temperatura de eterificación é de 65 ~ 70.°C, e o tempo de eterificación cámbiase para o experimento.

1.2.3 Plan de ensaio e optimización da carboximetil celulosa

Sobre a base do experimento de factor único, deseñouse un experimento combinado de rotación ortogonal de regresión cuadrática con catro factores e cinco niveis. Os catro factores son o tempo de eterificación, a temperatura de eterificación, a cantidade de NaOH e a cantidade de ácido monocloroacético. O procesamento de datos utiliza o software estatístico SAS8.2 para o procesamento de datos, que revela a relación entre cada factor de influencia e o grao de substitución da carboximetil celulosa. lei interior.

1.2.4 Método de análise SEM

A mostra de po seco fixouse no escenario de mostra con cola condutora e, despois de pulverizar ouro ao baleiro, observouse e fotografouse nun microscopio electrónico de varrido Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Resultados e análise

2.1 Efecto do factor único no grao de substitución da carboximetil celulosa

2.1.1 O efecto da cantidade de álcali sobre o grao de substitución da carboximetil celulosa

Cando se engadiu NaOH3,2 g a 2 g de celulosa, o grao de substitución do produto foi o máis alto. A cantidade de NaOH redúcese, o que non é suficiente para formar a neutralización da celulosa alcalina e o axente de eterificación, e o produto ten un pequeno grao de substitución e baixa viscosidade. Pola contra, se a cantidade de NaOH é demasiado, as reaccións secundarias durante a hidrólise do ácido cloroacético aumentarán, o consumo de axente eterificante aumentará e a viscosidade do produto tamén diminuirá.

2.1.2 Efecto da concentración da solución de etanol sobre o grao de substitución da carboximetil celulosa

Parte da auga na solución de etanol existe no medio de reacción fóra da celulosa, e a outra parte existe na celulosa. Se o contido de auga é demasiado grande, a CMC incharase na auga para formar marmelada durante a eterificación, o que provocará unha reacción moi desigual; se o contido de auga é demasiado pequeno, a reacción será difícil de proceder debido á falta de medio de reacción. Xeralmente, o 80% de etanol é o disolvente máis axeitado.

2.1.3 Efecto da dosificación de ácido monocloroacético sobre o grao de substitución da carboximetil celulosa

A cantidade de ácido monocloroacético e hidróxido de sodio é teoricamente 1:2, pero para mover a reacción na dirección de xeración de CMC, asegúrate de que haxa unha base libre adecuada no sistema de reacción, para que a carboximetilación poida continuar sen problemas. Por este motivo, adóptase o método do exceso de álcali, é dicir, a relación molar de substancias ácidas e alcalinas é 1:2,2.

2.1.4 Efecto da temperatura de eterificación sobre o grao de substitución da carboximetil celulosa

Canto maior sexa a temperatura de eterificación, máis rápida será a velocidade de reacción, pero tamén se aceleran as reaccións secundarias. Desde a perspectiva do equilibrio químico, o aumento da temperatura é desfavorable para a formación de CMC, pero se a temperatura é demasiado baixa, a velocidade de reacción é lenta e a taxa de utilización do axente eterificante é baixa. Pódese ver que a temperatura óptima para a eterificación é de 70°C.

2.1.5 Efecto do tempo de eterificación no grao de substitución da carboximetil celulosa

Co aumento do tempo de eterificación, o grao de substitución de CMC aumenta e a velocidade de reacción se acelera, pero despois dun certo tempo, as reaccións secundarias aumentan e o grao de substitución diminúe. Cando o tempo de eterificación é de 100 min, o grao de substitución é máximo.

2.2 Resultados de probas ortogonais e análise de grupos carboximetilo

A partir da táboa de análise de varianza pódese ver que no elemento primario, os catro factores do tempo de eterificación, a temperatura de eterificación, a cantidade de NaOH e a cantidade de ácido monocloroacético teñen un impacto moi significativo no grao de substitución da carboximetil celulosa (p. <0,01). Entre os elementos de interacción, os elementos de interacción do tempo de eterificación e a cantidade de ácido monocloroacético, e os elementos de interacción da temperatura de eterificación e a cantidade de ácido monocloroacético tiveron un efecto moi significativo no grao de substitución da carboximetil celulosa (p<0,01). A orde de influencia de varios factores sobre o grao de substitución da carboximetilcelulosa foi: temperatura de eterificación>a cantidade de ácido monocloroacético>tempo de eterificación>a cantidade de NaOH.

Despois da análise dos resultados da proba do deseño de combinación de rotación ortogonal de regresión cuadrática, pódese determinar que as condicións óptimas do proceso para a modificación da carboximetilación son: tempo de eterificación 100 min, temperatura de eterificación 70℃, dosificación de NaOH 3,2 g e ácido monocloroacético A dosificación é de 3,0 g e o grao máximo de substitución é de 0,53.

2.3 Caracterización do rendemento microscópico

A morfoloxía superficial da celulosa, a carboximetilcelulosa e as partículas de carboximetilcelulosa entrecruzadas estudouse mediante microscopía electrónica de varrido. A celulosa medra en forma de tira cunha superficie lisa; o bordo da carboximetil celulosa é máis rugoso que o da celulosa extraída, e a estrutura da cavidade aumenta e o volume faise maior. Isto débese a que a estrutura do paquete faise máis grande debido ao inchazo da carboximetil celulosa.

3. Conclusión

3.1 Preparación da celulosa carboximetileterificada A orde de importancia dos catro factores que inciden no grao de substitución da celulosa é: temperatura de eterificación > dosificación de ácido monocloroacético > tempo de eterificación > dosificación de NaOH. As condicións óptimas do proceso de modificación da carboximetilación son o tempo de eterificación 100 min, a temperatura de eterificación 70℃, dosificación de NaOH 3,2 g, dose de ácido monocloroacético 3,0 g e grao de substitución máximo 0,53.

3.2 As condicións tecnolóxicas óptimas de modificación da carboximetilación son: tempo de eterificación 100 min, temperatura de eterificación 70℃, dosificación de NaOH 3,2 g, dose de ácido monocloroacético 3,0 g, grao de substitución máximo 0,53.