CMC celuloza i njezina strukturna karakterizacija

Koristeći slamnatu celulozu kao sirovinu, modificirana je eterifikacijom. Jednostrukim faktorskim i rotacijskim testom utvrđeni su optimalni uvjeti za pripravu karboksimetil celuloze: vrijeme eterifikacije 100 min, temperatura eterifikacije 70℃, doza NaOH 3,2 g i doza monokloroctene kiseline 3,0 g, maksimalni stupanj supstitucije je 0,53.

Ključne riječi: CMCceluloza; monokloroctena kiselina; eterifikacija; izmjena

Karboksimetil celulozaje najproizvođeniji i najprodavaniji celulozni eter na svijetu. Naširoko se koristi u deterdžentima, hrani, pasti za zube, tekstilu, tiskanju i bojanju, proizvodnji papira, nafti, rudarstvu, medicini, keramici, elektroničkim komponentama, gumi, bojama, pesticidima, kozmetici, koži, plastici i bušenju nafte itd., poznato kao “industrijski mononatrijev glutamat”. Karboksimetil celuloza je u vodi topljivi derivat celuloznog etera dobiven kemijskom modifikacijom prirodne celuloze. Celuloza, glavna sirovina za proizvodnju karboksimetil celuloze, jedan je od najizdašnijih prirodnih obnovljivih resursa na zemlji, s godišnjom proizvodnjom od stotina milijardi tona. moja zemlja je velika poljoprivredna zemlja i jedna od zemalja s najbogatijim resursima slame. Slama je oduvijek bila jedno od glavnih životnih goriva ruralnih stanovnika. Ovi resursi dugo se nisu racionalno razvijali, a godišnje se u svijetu iskoristi manje od 2% poljoprivrednog i šumskog otpada poput slame. Riža je glavna gospodarska kultura u pokrajini Heilongjiang, s površinom za sadnju većom od 2 milijuna hm2, godišnjom proizvodnjom od 14 milijuna tona riže i 11 milijuna tona slame. Poljoprivrednici ih uglavnom spaljuju izravno na polju kao otpad, što ne samo da predstavlja veliko rasipanje prirodnih resursa, već uzrokuje i ozbiljno onečišćenje okoliša. Stoga je ostvarivanje korištenja resursa slame potreba strategije održivog razvoja poljoprivrede.

1. Eksperimentalni materijali i metode

1.1 Eksperimentalni materijali i oprema

Slamnata celuloza, vlastita izrada u laboratoriju; JJ～1 vrsta električne miješalice, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory; SHZW2C tip RS—Vakuumska pumpa, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pHS-3C pH metar, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A električno grijanje pećnica za sušenje konstantne temperature, Peking North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; HITACHI-S ~ 3400N skenirajući elektronski mikroskop, Hitachi Instruments; etanol; natrijev hidroksid; klorooctena kiselina itd. (navedeni reagensi su analitički čisti).

1.2 Eksperimentalna metoda

1.2.1 Priprema karboksimetil celuloze

(1) Metoda pripreme karboksimetil celuloze: odvažite 2 g celuloze u tikvicu s tri grla, dodajte 2,8 g NaOH, 20 mL 75% otopine etanola i potopite u lužinu u vodenoj kupelji stalne temperature na 25°C.°C 80 min. Promiješajte mikserom da se dobro sjedini. Tijekom ovog procesa, celuloza reagira s alkalnom otopinom da nastane alkalna celuloza. U fazi eterifikacije dodajte 10 mL 75% otopine etanola i 3 g klorooctene kiseline u tikvicu s tri grla koja je reagirala gore, povisite temperaturu na 65-70° C. i reagirati 60 minuta. Dodajte lužinu po drugi put, zatim dodajte 0,6 g NaOH u gornju reakcijsku tikvicu kako biste održali temperaturu na 70°C, a vrijeme reakcije je 40 min da se dobije sirovi Na—CMC (natrijeva karboksimetilceluloza).

Neutralizacija i ispiranje: dodati 1moL·L-1 klorovodične kiseline i neutralizirajte reakciju na sobnoj temperaturi do pH=7~8. Zatim isperite dva puta s 50% etanolom, zatim isperite jednom s 95% etanolom, filtrirajte usisavanjem i osušite na 80-90°C 2 sata.

(2) Određivanje stupnja supstitucije uzorka: metoda određivanja mjerača kiselosti: izvažite 0,2 g (točno do 0,1 mg) pročišćenog i osušenog Na-CMC uzorka, otopite ga u 80 ml destilirane vode, miješajte elektromagnetski 10 minuta i podesite kiselinom ili lužinom Otopina je dovela pH otopine do 8. Zatim titrirajte ispitnu otopinu standardnom otopinom sumporne kiseline u čaši opremljenoj elektrodom pH metra i promatrajte pokazivanje pH metra dok titrirate dok pH ne dostigne 3.74. Zabilježite volumen upotrijebljene standardne otopine sumporne kiseline.

1.2.2 Metoda ispitivanja s jednim faktorom

(1) Učinak količine lužine na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze: izvršiti alkalizaciju na 25℃, uranjanje u lužinu 80 minuta, koncentracija u otopini etanola je 75%, kontrolirati količinu reagensa monokloroctene kiseline 3g, temperatura eterifikacije je 65 ~70°C, vrijeme eterifikacije bilo je 100 minuta, a količina natrijevog hidroksida je promijenjena za ispitivanje.

(2) Učinak koncentracije otopine etanola na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze: količina fiksne lužine je 3,2 g, alkalno uranjanje u vodenu kupelj pri konstantnoj temperaturi na 25°C tijekom 80 min, koncentracija otopine etanola je 75%, količina reagensa monokloroctene kiseline kontrolira se na 3 g, eterifikacija Temperatura je 65-70°C, vrijeme eterifikacije je 100 min, a koncentracija otopine etanola je promijenjena za eksperiment.

(3) Učinak količine monokloroctene kiseline na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze: fiksirati na 25°C za alkalizaciju, potopiti u lužinu 80 minuta, dodati 3,2 g natrijevog hidroksida kako bi koncentracija otopine etanola bila 75%, eter Temperatura je 65~70°C, vrijeme eterifikacije je 100 min, a količina monokloroctene kiseline je promijenjena za eksperiment.

(4) Učinak temperature eterifikacije na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze: fiksirati na 25°C za alkalizaciju, potopite u lužinu 80 minuta, dodajte 3,2 g natrijevog hidroksida kako bi koncentracija otopine etanola bila 75%, temperatura eterifikacije Temperatura je 65~70℃, vrijeme eterifikacije je 100 min, a eksperiment se provodi mijenjanjem doze monokloroctene kiseline.

(5) Učinak vremena eterifikacije na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze: fiksirano na 25°C za alkalizaciju, dodano je 3,2 g natrijevog hidroksida i natopljeno u lužini 80 minuta kako bi koncentracija otopine etanola bila 75%, a kontrolirani monoklor. Doziranje reagensa octene kiseline je 3 g, temperatura eterifikacije je 65 ~ 70°C.°C, a vrijeme eterifikacije se mijenja za eksperiment.

1.2.3 Plan ispitivanja i optimizacija karboksimetil celuloze

Na temelju eksperimenta s jednim faktorom, projektiran je kombinirani eksperiment kvadratne regresije ortogonalne rotacije s četiri faktora i pet razina. Četiri faktora su vrijeme eterifikacije, temperatura eterifikacije, količina NaOH i količina monokloroctene kiseline. Za obradu podataka koristi se statistički softver SAS8.2 za obradu podataka, koji otkriva odnos između svakog utjecajnog faktora i stupnja supstitucije karboksimetil celuloze. unutarnji zakon.

1.2.4 Metoda SEM analize

Uzorak osušenog praha fiksiran je na postolje za uzorke vodljivim ljepilom, te je nakon vakuumskog raspršivanja zlata promatran i fotografiran pod Hitachi-S-3400N Hitachi pretražnim elektronskim mikroskopom.

2. Rezultati i analiza

2.1 Učinak jednog faktora na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze

2.1.1 Učinak količine lužine na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze

Kada je NaOH3,2 g dodan u 2 g celuloze, stupanj supstitucije produkta bio je najviši. Količina NaOH je smanjena, što nije dovoljno za formiranje neutralizacije alkalne celuloze i sredstva za eterifikaciju, a proizvod ima mali stupanj supstitucije i nisku viskoznost. Naprotiv, ako je količina NaOH prevelika, nuspojave tijekom hidrolize klorooctene kiseline će se povećati, potrošnja sredstva za eterifikaciju će se povećati, a viskoznost proizvoda će se također smanjiti.

2.1.2 Učinak koncentracije otopine etanola na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze

Dio vode u otopini etanola postoji u reakcijskom mediju izvan celuloze, a drugi dio postoji u celulozi. Ako je sadržaj vode prevelik, CMC će nabubriti u vodi i formirati žele tijekom eterifikacije, što će rezultirati vrlo neravnomjernom reakcijom; ako je sadržaj vode premalen, reakcija će se teško odvijati zbog nedostatka reakcijskog medija. Općenito, 80% etanol je najprikladnije otapalo.

2.1.3 Učinak doze monokloroctene kiseline na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze

Količina monokloroctene kiseline i natrijevog hidroksida je teoretski 1:2, ali kako bi se reakcija pomaknula u smjeru stvaranja CMC, osigurajte da postoji odgovarajuća slobodna baza u reakcijskom sustavu, tako da se karboksimetilacija može glatko odvijati. Zbog toga je prihvaćena metoda suviška lužine, odnosno molarni omjer kisele i lužine je 1:2,2.

2.1.4 Učinak temperature eterifikacije na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze

Što je viša temperatura eterifikacije, to je brzina reakcije brža, ali se također ubrzavaju i popratne reakcije. Iz perspektive kemijske ravnoteže, porast temperature je nepovoljan za stvaranje CMC-a, ali ako je temperatura preniska, brzina reakcije je spora i stopa iskorištenja agensa za eterifikaciju je mala. Vidi se da je optimalna temperatura za eterifikaciju 70°C°C.

2.1.5 Učinak vremena eterifikacije na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze

Povećanjem vremena eterifikacije raste stupanj supstitucije CMC, ubrzava se brzina reakcije, no nakon određenog vremena pojačavaju se nuspojave i smanjuje se stupanj supstitucije. Kada je vrijeme eterifikacije 100 min, stupanj supstitucije je maksimalan.

2.2 Rezultati ortogonalnog ispitivanja i analiza karboksimetilnih skupina

Iz tablice analize varijance vidljivo je da u primarnoj stavci četiri faktora vrijeme eterifikacije, temperatura eterifikacije, količina NaOH i količina monokloroctene kiseline imaju vrlo značajan utjecaj na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze (p <0,01) . Među ajtemima interakcije vrlo značajan utjecaj na stupanj supstitucije karboksimetilceluloze imale su interakcijske stavke vrijeme eterifikacije i količina monokloroctene kiseline te interakcijske stavke temperatura eterifikacije i količina monokloroctene kiseline (p<0,01). Redoslijed utjecaja različitih faktora na stupanj supstitucije karboksimetil celuloze bio je: temperatura eterifikacije>količina monokloroctene kiseline>vrijeme eterifikacije>količina NaOH.

Nakon analize rezultata testa dizajna kombinacije ortogonalne rotacije kvadratne regresije, može se utvrditi da su optimalni procesni uvjeti za modifikaciju karboksimetilacije: vrijeme eterifikacije 100 min, temperatura eterifikacije 70℃, NaOH doza 3,2g i monokloroctena kiselina Doza je 3,0g, a maksimalni stupanj supstitucije je 0,53.

2.3 Mikroskopska karakterizacija performansi

Površinska morfologija čestica celuloze, karboksimetil celuloze i umrežene karboksimetil celuloze proučavana je skenirajućom elektronskom mikroskopijom. Celuloza raste u obliku trake s glatkom površinom; rub karboksimetil celuloze je grublji od ruba ekstrahirane celuloze, a struktura šupljine se povećava i volumen postaje veći. To je zato što struktura snopa postaje veća zbog bubrenja karboksimetil celuloze.

3. Zaključak

3.1 Priprema karboksimetil eterificirane celuloze Redoslijed važnosti četiri faktora koji utječu na stupanj supstitucije celuloze je: temperatura eterifikacije > doza monokloroctene kiseline > vrijeme eterifikacije > doza NaOH. Optimalni procesni uvjeti modifikacije karboksimetilacije su vrijeme eterifikacije 100 min, temperatura eterifikacije 70℃, doza NaOH 3,2 g, doza monokloroctene kiseline 3,0 g i maksimalni stupanj supstitucije 0,53.

3.2 Optimalni tehnološki uvjeti modifikacije karboksimetilacije su: vrijeme eterifikacije 100 min, temperatura eterifikacije 70℃, doza NaOH 3,2 g, doza monokloroctene kiseline 3,0 g, maksimalni stupanj supstitucije 0,53.