A CMC-cellulóz és szerkezetének jellemzése

Nyersanyagként szalmacellulózt használva éterezéssel módosították. Az egyfaktoros és rotációs teszttel a karboximetil-cellulóz előállításának optimális körülményeit a következőképpen határoztuk meg: éterezési idő 100 perc, éterezési hőmérséklet 70℃, NaOH adagolása 3,2g és monoklórecetsav adagja 3,0g, a maximális helyettesítés mértéke 0,53.

Kulcsszavak: CMCcellulóz; monoklór-ecetsav; éterezés; módosítás

Karboxi-metil-cellulóza világon a legtöbbet gyártott és értékesített cellulóz-éter. Széles körben használják tisztítószerekben, élelmiszerekben, fogkrémekben, textilekben, nyomtatásban és festésben, papírgyártásban, kőolajiparban, bányászatban, orvostudományban, kerámiában, elektronikai alkatrészekben, gumiban, festékekben, növényvédő szerekben, kozmetikumokban, bőr-, műanyag- és olajfúrásban stb. mint „ipari mononátrium-glutamát”. A karboxi-metil-cellulóz egy vízben oldódó cellulóz-éter-származék, amelyet a természetes cellulóz kémiai módosításával állítanak elő. A cellulóz, a karboxi-metil-cellulóz előállításának fő nyersanyaga, az egyik legbőségesebb természetes megújuló erőforrás a Földön, éves termelésével több száz milliárd tonna. hazám egy nagy mezőgazdasági ország, és az egyik legbőségesebb szalmakészlettel rendelkező ország. A szalma mindig is a vidéki lakosok egyik fő éltető tüzelőanyaga volt. Ezeket az erőforrásokat már régóta nem racionálisan fejlesztették ki, és a mezőgazdasági és erdészeti hulladékok, például a szalma kevesebb mint 2%-a kerül felhasználásra a világon évente. A rizs a fő gazdasági növény Heilongjiang tartományban, több mint 2 millió hm2 ültetési területtel, 14 millió tonna rizs éves termelésével és 11 millió tonna szalmával. A gazdálkodók általában hulladékként közvetlenül a szántóföldön égetik el, ami nemcsak a természeti erőforrások hatalmas pazarlása, hanem a környezetet is komolyan szennyezi. Ezért a szalma erőforrás-hasznosításának megvalósítása a mezőgazdaság fenntartható fejlődési stratégiájának igénye.

1. Kísérleti anyagok és módszerek

1.1 Kísérleti anyagok és berendezések

Szalma cellulóz, saját gyártású laboratóriumban; JJ～1 típusú elektromos keverő, Jintan Guowang Kísérleti Műszergyár; SHZW2C típusú RS—Vákuumszivattyú, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pHS-3C pH-mérő, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A elektromos fűtés állandó hőmérsékletű szárítókemence, Peking North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; HITACHI-S ~ 3400N pásztázó elektronmikroszkóp, Hitachi Instruments; etanol; nátrium-hidroxid; klór-ecetsav stb. (a fenti reagensek analitikailag tiszták).

1.2 Kísérleti módszer

1.2.1. Karboxi-metil-cellulóz előállítása

(1) A karboxi-metil-cellulóz elkészítési módja: Mérjünk be 2 g cellulózt egy háromnyakú lombikba, adjunk hozzá 2,8 g NaOH-t, 20 ml 75%-os etanolos oldatot, és áztassuk lúgba állandó hőmérsékletű vízfürdőben 25 °C-on.°C-on 80 percig. Keverjük össze mixerrel, hogy jól összeálljon. A folyamat során a cellulóz lúgos oldattal reagál, és alkáli cellulózt képez. Az éterezési szakaszban adjon 10 ml 75%-os etanolos oldatot és 3 g klór-ecetsavat a fent reagált háromnyakú lombikba, emelje fel a hőmérsékletet 65-70 °C-ra.° 60 percig reagáltatjuk. Adjunk hozzá másodszor lúgot, majd adjunk hozzá 0,6 g NaOH-t a fenti reakciólombikba, hogy a hőmérsékletet 70 °C-on tartsuk.°A reakcióidő 40 perc, így nyers nátriumot kapunk—CMC (nátrium-karboximetil-cellulóz).

Semlegesítés és mosás: adjunk hozzá 1 mol·L-1 sósavval, és a reakcióelegyet szobahőmérsékleten pH=7-8 értékig semlegesítjük. Ezután kétszer 50%-os etanollal, majd egyszer 95%-os etanollal mossuk, leszívással szűrjük, és 80-90 °C-on szárítjuk.°C-on 2 órán át.

(2) A mintahelyettesítés mértékének meghatározása: savasságmérős meghatározási módszer: Mérjünk ki 0,2 g-ot (0,1 mg pontossággal) a tisztított és szárított Na-CMC mintából, oldjuk fel 80 ml desztillált vízben, keverjük elektromágnesesen 10 percig, majd állítsuk be. savval vagy lúggal Az oldat pH-ját 8-ra állította be. Ezután pH-mérő elektródával felszerelt főzőpohárban titrálja a vizsgálati oldatot kénsavas standard oldattal, és figyelje a pH-mérő jelzését a titrálás közben, amíg a pH el nem éri. 3.74. Jegyezze fel a felhasznált kénsav standard oldat térfogatát.

1.2.2 Egytényezős vizsgálati módszer

(1) A lúg mennyiségének hatása a karboxi-metil-cellulóz szubsztitúciós fokára: a lúgosítást 25 °C-on végezzük℃, 80 perces lúgos merítés, etanolos oldatban a koncentráció 75%, a monoklór-ecetsav reagens mennyiségének szabályozása 3g, éterezési hőmérséklet 65 ~ 70°C-on az éterezési idő 100 perc volt, és a nátrium-hidroxid mennyiségét megváltoztattuk a teszthez.

(2) Az etanolos oldat koncentrációjának hatása a karboxi-metil-cellulóz szubsztitúciós fokára: a rögzített lúg mennyisége 3,2 g, lúgos merítés állandó hőmérsékletű, 25 °C-os vízfürdőben°C 80 percig, az etanolos oldat koncentrációja 75%, a monoklór-ecetsav reagens mennyiségét 3 g-ra szabályozzuk, éterezés A hőmérséklet 65-70°C-on az éterezési idő 100 perc, és az etanolos oldat koncentrációját megváltoztatjuk a kísérlethez.

(3) A monoklór-ecetsav mennyiségének hatása a karboxi-metil-cellulóz szubsztitúciós fokára: fix 25°C a lúgosításhoz, áztassa lúgba 80 percig, adjon hozzá 3,2 g nátrium-hidroxidot, hogy az etanolos oldat koncentrációja 75%, éter. A hőmérséklet 65-70°C, az éterezési idő 100 perc, és a monoklór-ecetsav mennyiségét megváltoztatjuk a kísérlethez.

(4) Az éterezési hőmérséklet hatása a karboxi-metil-cellulóz szubsztitúciós fokára: rögzítse 25 °C-on°C a lúgosításhoz, áztassa lúgba 80 percig, adjon hozzá 3,2 g nátrium-hidroxidot, hogy az etanolos oldat koncentrációja 75%, éterezési hőmérséklet A hőmérséklet 65-70℃, az éterezési idő 100 perc, és a kísérletet a monoklór-ecetsav adagolásának változtatásával hajtjuk végre.

(5) Az éterezési idő hatása a karboxi-metil-cellulóz szubsztitúciós fokára: 25 °C-on rögzítve°C a lúgosításhoz, hozzáadunk 3,2 g nátrium-hidroxidot, és 80 percig lúgba áztatjuk, hogy az etanolos oldat koncentrációja 75%-os legyen, és szabályozott monoklórt. Az ecetsav reagens adagja 3 g, az éterezési hőmérséklet 65-70°C, és az éterezési idő megváltozik a kísérlethez.

1.2.3 A karboximetil-cellulóz vizsgálati terve és optimalizálása

Az egytényezős kísérlet alapján négy faktorral és öt szinttel kombinált másodfokú regressziós ortogonális forgatási kísérletet terveztünk. A négy tényező az éterezési idő, az éterezési hőmérséklet, a NaOH mennyisége és a monoklór-ecetsav mennyisége. Az adatfeldolgozás SAS8.2 statisztikai szoftvert használ az adatfeldolgozáshoz, amely feltárja az egyes befolyásoló tényezők és a karboximetil-cellulóz helyettesítési foka közötti kapcsolatot. belső törvény.

1.2.4 SEM elemzési módszer

A megszáradt pormintát vezetőképes ragasztóval rögzítettük a mintafelületre, majd vákuum-aranypermetezés után Hitachi-S-3400N Hitachi pásztázó elektronmikroszkóp alatt megfigyeltük és fényképeztük.

2. Eredmények és elemzés

2.1 Egyetlen faktor hatása a karboximetil-cellulóz helyettesítési fokára

2.1.1 A lúg mennyiségének hatása a karboxi-metil-cellulóz szubsztitúciós fokára

Amikor 3,2 g NaOH-t adtunk 2 g cellulózhoz, a termék helyettesítési foka volt a legmagasabb. A NaOH mennyisége lecsökken, ami nem elegendő a lúgos cellulóz semlegesítéséhez és az éterezőszerhez, és a termék csekély szubsztitúciós és alacsony viszkozitású. Ellenkezőleg, ha túl sok a NaOH, a klór-ecetsav hidrolízise során fellépő mellékreakciók fokozódnak, növekszik az éterezőszer fogyasztása, és a termék viszkozitása is csökken.

2.1.2 Az etanolos oldat koncentrációjának hatása a karboximetil-cellulóz helyettesítési fokára

Az etanolos oldatban lévő víz egy része a cellulózon kívül található reakcióközegben, másik része pedig a cellulózban található. Ha a víztartalom túl nagy, a CMC megduzzad a vízben, és az éterezés során zselét képez, ami nagyon egyenetlen reakciót eredményez; ha a víztartalom túl kicsi, a reakció a reakcióközeg hiánya miatt nehezen megy végbe. Általában a 80%-os etanol a legmegfelelőbb oldószer.

2.1.3 A monoklór-ecetsav adagolásának hatása a karboxi-metil-cellulóz szubsztitúciós fokára

A monoklór-ecetsav és a nátrium-hidroxid mennyisége elméletileg 1:2, de ahhoz, hogy a reakció a CMC képződésének irányába mozduljon el, gondoskodni kell arról, hogy a reakciórendszerben legyen megfelelő szabad bázis, hogy a karboximetilezés gördülékenyen menjen végbe. Emiatt a lúgfelesleg módszerét alkalmazzák, vagyis a sav és a lúg mólaránya 1:2,2.

2.1.4 Az éterezési hőmérséklet hatása a karboxi-metil-cellulóz helyettesítési fokára

Minél magasabb az éterezési hőmérséklet, annál gyorsabb a reakció, de a mellékreakciók is felgyorsulnak. A kémiai egyensúly szempontjából a hőmérséklet emelkedése nem kedvez a CMC képződésének, de túl alacsony hőmérséklet esetén lassú a reakciósebesség és alacsony az éterezőszer hasznosulása. Látható, hogy az éterezés optimális hőmérséklete 70 °C°C.

2.1.5 Az éterezési idő hatása a karboximetil-cellulóz helyettesítési fokára

Az éterezési idő növekedésével a CMC szubsztitúciós foka nő, és a reakció sebessége felgyorsul, de egy bizonyos idő elteltével a mellékreakciók fokozódnak és a helyettesítés mértéke csökken. Ha az éterezési idő 100 perc, a helyettesítés mértéke maximális.

2.2 Ortogonális vizsgálati eredmények és karboximetil-csoportok elemzése

A varianciaanalízis táblázatból látható, hogy az elsődleges tételben a négy tényező: az éterezési idő, az éterezési hőmérséklet, a NaOH mennyisége és a monoklór-ecetsav mennyisége igen jelentős hatással van a karboximetil-cellulóz helyettesítési fokára (p <0,01) . A kölcsönhatási tételek közül az éterezési idő és a monoklór-ecetsav mennyisége, valamint az éterezési hőmérséklet és a monoklór-ecetsav mennyiségének kölcsönhatási tételei igen jelentős hatást gyakoroltak a karboximetil-cellulóz szubsztitúciós fokára (p<0,01). A karboxi-metil-cellulóz szubsztitúciós fokára a különböző tényezők hatásának sorrendje a következő volt: éterezési hőmérséklet>monoklór-ecetsav mennyisége>éterezési idő>NaOH mennyisége.

A másodfokú regressziós ortogonális forgatás kombinációs tervezés vizsgálati eredményeinek elemzése után megállapítható, hogy a karboximetilezés módosításának optimális folyamatkörülményei: éterezési idő 100 perc, éterezési hőmérséklet 70℃, NaOH adagolása 3,2g és monoklór-ecetsav A dózis 3,0g, a maximális helyettesítési fok 0,53.

2.3 Mikroszkópos teljesítményjellemzés

A cellulóz, a karboximetil-cellulóz és a térhálósított karboximetil-cellulóz részecskék felületi morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgáltuk. A cellulóz csík alakú, sima felületű; a karboximetil-cellulóz éle érdesebb, mint az extrahált cellulózé, és megnő az üreg szerkezete és nagyobb a térfogata. Ennek az az oka, hogy a karboximetil-cellulóz duzzadása miatt a köteg szerkezete nagyobb lesz.

3. Következtetés

3.1 Karboximetil-éterezett cellulóz előállítása A cellulóz helyettesítési fokát befolyásoló négy tényező fontossági sorrendje: éterezési hőmérséklet > monoklórecetsav adagolás > éterezési idő > NaOH adagolás. A karboximetilezés módosításának optimális folyamatkörülményei: éterezési idő 100 perc, éterezési hőmérséklet 70℃, NaOH adagolása 3,2g, monoklór-ecetsav adagja 3,0g, és maximális helyettesítési foka 0,53.

3.2 A karboximetilezés módosításának optimális technológiai feltételei: éterezési idő 100 perc, éterezési hőmérséklet 70℃, NaOH adagolása 3,2g, monoklórecetsav adagolása 3,0g, maximális helyettesítési foka 0,53.