Super upijajući materijal od celuloznog etera

Proučavani su proces i performanse proizvoda karboksimetil celuloze umrežene N,N-metilenbisakrilamidom za pripremu superupijajuće smole, a raspravljalo se o koncentraciji lužine, količini sredstva za umrežavanje, alkalnoj eterifikaciji i otapalu. Učinak doze na sposobnost upijanja vode proizvoda. Objašnjen je mehanizam adsorpcije smole koja upija vodu na vodu. Istraživanja su pokazala da vrijednost zadržavanja vode (WRV) ovog proizvoda doseže 114 ml/g.

Ključne riječi:celulozni eter; metilenbisakrilamid; priprema

1、Uvod

Superupijajuća smola je polimerni materijal s jakim hidrofilnim skupinama i određenim stupnjem umreženosti. Uobičajeni materijali koji upijaju vodu kao što su papir, pamuk i konoplja imaju nisku stopu upijanja vode i slabu sposobnost zadržavanja vode, dok super-upijajuće smole mogu upijati vodu nekoliko desetaka puta veću od vlastite težine, a gel koji nastaje nakon upijanja vode neće dehidrirati čak ni uz blagi pritisak. Izvrsna sposobnost zadržavanja vode. Nije topiv u vodi niti u organskim otapalima.

Na molekularnom lancu super upijajućeg materijala od celuloze postoji veliki broj hidroksilnih skupina, karboksilnih skupina i natrijevih hidratnih iona. Nakon apsorpcije vode, voda je okružena hidrofilnom makromolekularnom mrežom i može se zadržati pod vanjskim pritiskom. Kada voda navlaži adsorpcijsku smolu, između smole i vode nastaje sloj polupropusne membrane. Zbog visoke koncentracije mobilnih iona (Na+) u smoli koja upija vodu, prema Donnanu'S načelom ravnoteže, ova razlika u koncentraciji iona može uzrokovati osmotski tlak. Loša, stvarajući slabu snagu vlaženja i bubrenja, voda prolazi kroz ovaj sloj polupropusne membrane i spaja se s hidrofilnim skupinama i ionima na makromolekulama superupijajuće smole, smanjujući koncentraciju mobilnih iona, pokazujući tako visoku apsorpciju vode i bubrenje. Ovaj proces adsorpcije nastavlja se sve dok razlika osmotskog tlaka uzrokovana razlikom u koncentraciji pokretnih iona ne bude jednaka otporu daljnjem širenju uzrokovanom kohezivnom silom molekularne mreže polimerne smole. Prednosti superupijajuće smole pripremljene od celuloze su: umjerena brzina upijanja vode, velika brzina upijanja vode, dobra otpornost na slanu vodu, netoksičnost, lako podešavanje pH vrijednosti, može se razgraditi u prirodi i niska cijena, tako da ima široku raspon upotrebe. Može se koristiti kao sredstvo za blokiranje vode, sredstvo za poboljšanje tla i sredstvo za zadržavanje vode u industriji i poljoprivredi. Osim toga, ima dobre izglede za razvoj i primjenu u zdravstvu, hrani, mikrobiologiji i medicini.

2. Eksperimentalni dio

2.1 Eksperimentalni princip

Priprema superupijajuće smole od pamučnog vlakna uglavnom se sastoji u formiranju umrežene strukture s niskim stupnjem supstitucije na koži vlakana. Unakrsno povezivanje sa spojevima koji općenito imaju dvije ili više reaktivnih funkcionalnih skupina. Funkcionalne skupine sposobne za umrežavanje uključuju vinil, hidroksil, karboksil, amid, kiselinski klorid, oksiran, nitril, itd. Omjer upijanja vode superupijajućih smola pripremljenih s različitim agensima za umrežavanje je različit. U ovom eksperimentu, N,N-metilenbisakrilamid se koristi kao sredstvo za umrežavanje, uključujući sljedeće korake:

(1) Celuloza (Rcell) reagira s alkalnom otopinom i stvara alkalnu celulozu, a reakcija alkalizacije celuloze je brza egzotermna reakcija. Snižavanje temperature pogoduje stvaranju alkalnih vlakana i može inhibirati njihovu hidrolizu. Dodavanje alkohola može povećati poremećaj celuloze, što je korisno za alkalizaciju i kasniju eterifikaciju.

RcelijaOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Alkalna celuloza i monokloroctena kiselina stvaraju natrijevu karboksimetil celulozu, a reakcija eterifikacije pripada reakciji nukleofilne supstitucije:

RcellONa+ClCH2COONa→RcelijaOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-metilenbisakrilamid umrežen da se dobije super upijajuća smola. Budući da još uvijek postoji veliki broj hidroksilnih skupina na molekularnom lancu karboksimetilnog vlakna, ionizacija hidroksilne skupine celuloze i ionizacija akriloilne dvostruke veze na molekularnom lancu N,N-metilenbisakrilamida može se pokrenuti pod djelovanjem alkalne katalize, a potom dolazi do umrežavanja između celuloznih molekularnih lanaca kroz Michaelovu kondenzaciju, i odmah prolazi kroz izmjenu protona s vodom da postane celulozna superupijajuća smola netopljiva u vodi.

2.2 Sirovine i instrumenti

Sirovine: upijajuća vata (rezana na lintere), natrijev hidroksid, monokloroctena kiselina, N,N-metilenbisakrilamid, apsolutni etanol, aceton.

Instrumenti: trogrla tikvica, električna mješalica, povratno hladilo, odsisna filtarska tikvica, Buchnerov lijevak, vakuumska sušara, cirkulacijska vodena vakuum pumpa.

2.3 Metoda pripreme

2.3.1 Alkalinizacija

U bocu s tri grla dodajte 1 g upijajuće vate, zatim dodajte određenu količinu otopine natrijevog hidroksida i apsolutnog etanola, održavajte temperaturu ispod sobne i još neko vrijeme miješajte.

2.3.2 Eterifikacija

Dodati određenu količinu klorooctene kiseline i miješati 1 sat.

2.3.2 Umrežavanje

U kasnijoj fazi eterifikacije, N,N-metilenbisakrilamid je dodan u omjeru da se izvede umrežavanje i miješa na sobnoj temperaturi 2 sata.

2.3.4 Naknadna obrada

Upotrijebite ledenu octenu kiselinu da namjestite pH vrijednost na 7, isperite sol etanolom, isperite vodu acetonom, filtrirajte usisavanjem i sušite u vakuumu 4 sata (na oko 60°C, stupanj vakuuma 8,8 kPa) da se dobije proizvod od bijelog pamučnog filamenta.

2.4 Analitičko ispitivanje

Stopa apsorpcije vode (WRV) određuje se prosijavanjem, to jest, 1 g proizvoda (G) dodaje se u čašu koja sadrži 100 ml destilirane vode (V1), natapa se 24 sata, filtrira kroz sito od nehrđajućeg čelika od 200 mesh , a voda na dnu zaslona se skuplja (V2). Formula za izračun je sljedeća: WRV=(V1-V2)/G.

3. Rezultati i rasprava

3.1 Odabir uvjeta reakcije alkalizacije

U procesu proizvodnje alkalne celuloze djelovanjem pamučnog vlakna i alkalne otopine, uvjeti procesa imaju značajan utjecaj na performanse proizvoda. Mnogo je čimbenika u reakciji alkalizacije. Radi lakšeg promatranja, usvojena je ortogonalna metoda projektiranja eksperimenta.

Ostali uvjeti: Otapalo je 20 ml apsolutnog etanola, omjer lužine i sredstva za eterifikaciju (mol/md) je 3:1, a sredstvo za umrežavanje je 0,05 g.

Eksperimentalni rezultati pokazuju da: primarni i sekundarni odnos: C>A>B, najbolji omjer: A3B3C3. Koncentracija lužine je najvažniji faktor u reakciji alkalizacije. Visoka koncentracija lužine pogoduje stvaranju alkalne celuloze. Međutim, treba napomenuti da što je veća koncentracija lužine, to je veći sadržaj soli u pripremljenoj superupijajućoj smoli. Stoga, kada ispirete sol etanolom, operite je nekoliko puta kako biste bili sigurni da je sol u proizvodu uklonjena, kako ne biste utjecali na sposobnost upijanja vode proizvoda.

3.2 Učinak doze sredstva za umrežavanje na WRV proizvoda

Eksperimentalni uvjeti su: 20 ml apsolutnog etanola, 2,3:1 omjer lužine i sredstva za eterifikaciju, 20 ml lužine i 90 min alkalizacije.

Rezultati su pokazali da količina sredstva za umrežavanje utječe na stupanj umrežavanja CMC-Na. Pretjerano umrežavanje dovodi do tijesne mrežne strukture u prostoru proizvoda, koju karakterizira niska stopa upijanja vode i slaba elastičnost nakon upijanja vode; kada je količina sredstva za umrežavanje mala, umrežavanje je nepotpuno i postoje proizvodi topivi u vodi, koji također utječu na brzinu upijanja vode. Kada je količina sredstva za umrežavanje manja od 0,06 g, stopa upijanja vode raste s povećanjem količine sredstva za umrežavanje, kada je količina sredstva za umrežavanje veća od 0,06 g, stopa upijanja vode se smanjuje s količinom sredstva za umrežavanje. Stoga je doza sredstva za umrežavanje oko 6% mase pamučnog vlakna.

3.3 Učinak uvjeta eterifikacije na proizvod WRV

Eksperimentalni uvjeti su: koncentracija lužine 40%; volumen lužine 20 ml; apsolutni etanol 20 ml; doza sredstva za umrežavanje 0,06 g; alkalizacija 90min.

Iz formule kemijske reakcije, omjer lužine i etera (NaOH:CICH2-COOH) trebao bi biti 2:1, ali stvarna količina korištene lužine veća je od tog omjera, jer se u reakcijskom sustavu mora zajamčiti određena koncentracija slobodne lužine , jer: određena veća koncentracija slobodne baze pogoduje završetku reakcije alkalizacije; reakcija umrežavanja mora se provesti u alkalnim uvjetima; neke nuspojave troše lužinu. Međutim, ako se količina lužine doda prevelika, alkalno vlakno će biti ozbiljno degradirano, a istovremeno će se smanjiti učinkovitost sredstva za eterifikaciju. Pokusi pokazuju da je omjer lužine i etera oko 2,5:1.

3.4 Utjecaj količine otapala

Eksperimentalni uvjeti su: koncentracija lužine 40%; alkalna doza 20 ml; omjer alkalija-eter 2,5:1; doza sredstva za umrežavanje 0,06 g, alkalizacija 90 min.

Otapalo bezvodni etanol igra ulogu raspršivanja, homogeniziranja i održavanja stanja kaše u sustavu, što je korisno za raspršivanje i prijenos topline koja se oslobađa tijekom stvaranja alkalne celuloze, i može smanjiti reakciju hidrolize alkalne celuloze, čime se dobiva ujednačena celuloza . Međutim, ako je količina dodanog alkohola prevelika, lužina i natrijev monokloroacetat će se otopiti u njemu, koncentracija reaktanata će se smanjiti, brzina reakcije će se smanjiti, a također će imati negativan učinak na kasnije umrežavanje. Kada je količina apsolutnog etanola 20 ml, vrijednost WRV je velika.

Ukratko, najprikladniji uvjeti za pripremu superupijajuće smole od upijajućeg pamuka alkalizirane i eterificirane karboksimetil celuloze umrežene N,N-metilenbisakrilamidom su: koncentracija lužine 40%, bez otapala 20 ml vode i etanola, omjer lužine i etera je 2,5:1, a doza sredstva za umrežavanje je 0,06 g (6% od količine pamučnog lintera).