Selulosa CMC dan Karakterisasi Strukturnya

Menggunakan selulosa jerami sebagai bahan bakunya, dimodifikasi dengan cara eterifikasi. Melalui uji faktor tunggal dan rotasi, kondisi optimal untuk pembuatan karboksimetil selulosa ditentukan sebagai berikut: waktu eterifikasi 100 menit, suhu eterifikasi 70℃, NaOH dosis 3,2g dan asam monokloroasetat dosis 3,0g, derajat substitusi maksimum adalah 0,53.

Kata kunci: CMCselulosa; asam monokloroasetat; eterifikasi; modifikasi

Karboksimetil selulosaadalah selulosa eter yang paling banyak diproduksi dan dijual di dunia. Hal ini banyak digunakan dalam deterjen, makanan, pasta gigi, tekstil, percetakan dan pencelupan, pembuatan kertas, minyak bumi, pertambangan, obat-obatan, keramik, komponen elektronik, karet, cat, pestisida, kosmetik, kulit, plastik dan pengeboran minyak, dll., dikenal sebagai “monosodium glutamat industri”. Karboksimetil selulosa adalah turunan selulosa eter yang larut dalam air yang diperoleh dengan memodifikasi selulosa alami secara kimia. Selulosa, bahan baku utama produksi karboksimetil selulosa, merupakan salah satu sumber daya alam terbarukan yang paling melimpah di bumi, dengan produksi tahunan mencapai ratusan miliar ton. negara saya adalah negara agraris yang besar dan salah satu negara dengan sumber daya jerami paling melimpah. Jerami selalu menjadi salah satu bahan bakar hidup utama bagi penduduk pedesaan. Sumber daya ini sudah lama tidak dikembangkan secara rasional, dan kurang dari 2% limbah pertanian dan kehutanan seperti jerami digunakan di dunia setiap tahunnya. Padi merupakan tanaman ekonomi utama di Provinsi Heilongjiang, dengan luas tanam lebih dari 2 juta hm2, produksi tahunan 14 juta ton beras, dan 11 juta ton jerami. Petani umumnya membakarnya langsung di ladang sebagai limbah, yang tidak hanya menyia-nyiakan sumber daya alam dalam jumlah besar, namun juga menyebabkan pencemaran serius terhadap lingkungan. Oleh karena itu, mewujudkan pemanfaatan sumber daya jerami merupakan kebutuhan strategi pembangunan pertanian berkelanjutan.

1. Bahan dan metode percobaan

1.1 Bahan dan peralatan percobaan

Selulosa jerami, dibuat sendiri di laboratorium; JJ～1 jenis mixer listrik, Pabrik Instrumen Eksperimental Jintan Guowang; Tipe SHZW2C RS—Pompa vakum, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pengukur pH pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A pemanas listrik oven pengeringan suhu konstan, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; HITACHI-S ~ 3400N pemindaian mikroskop elektron, Instrumen Hitachi; etanol; natrium hidroksida; asam kloroasetat, dll. (reagen di atas murni secara analitik).

1.2 Metode eksperimen

1.2.1 Pembuatan karboksimetil selulosa

(1) Cara pembuatan karboksimetil selulosa: Timbang 2 g selulosa ke dalam labu leher tiga, tambahkan 2,8 g NaOH, 20 mL larutan etanol 75%, dan rendam dalam alkali dalam penangas air bersuhu konstan pada 25°C selama 80 menit. Aduk dengan mixer agar tercampur rata. Selama proses ini, selulosa bereaksi dengan larutan basa membentuk selulosa alkali. Pada tahap eterifikasi, tambahkan 10 mL larutan etanol 75% dan 3 g asam kloroasetat ke dalam labu leher tiga reaksi di atas, naikkan suhu menjadi 65-70° C., dan bereaksi selama 60 menit. Tambahkan alkali untuk kedua kalinya, lalu tambahkan 0,6 g NaOH ke dalam labu reaksi di atas untuk menjaga suhu pada 70°C, dan waktu reaksi 40 menit untuk memperoleh Na mentah—CMC (natrium karboksimetilselulosa).

Netralisasi dan pencucian: tambahkan 1moL·L-1 asam klorida, dan netralkan reaksi pada suhu kamar hingga pH=7~8. Kemudian dicuci dua kali dengan etanol 50%, kemudian dicuci sekali dengan etanol 95%, disaring dengan alat penyedot, dan dikeringkan pada suhu 80-90.°C selama 2 jam.

(2) Penentuan derajat substitusi sampel: metode penentuan pengukur keasaman: Timbang 0,2g (akurat hingga 0,1mg) sampel Na-CMC yang dimurnikan dan dikeringkan, larutkan dalam 80mL air suling, aduk secara elektromagnetik selama 10 menit, dan sesuaikan dengan asam atau basa Larutan tersebut membuat pH larutan menjadi 8. Kemudian larutan uji dititrasi dengan larutan standar asam sulfat dalam gelas kimia yang dilengkapi dengan elektroda pH meter, dan amati indikasi pH meter sambil melakukan titrasi hingga pH menjadi 3.74. Catat volume larutan standar asam sulfat yang digunakan.

1.2.2 Metode uji faktor tunggal

(1) Pengaruh jumlah alkali terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa: lakukan alkalisasi pada suhu 25℃, perendaman alkali selama 80 menit, konsentrasi dalam larutan etanol 75%, kendalikan jumlah reagen asam monokloroasetat 3g, suhu eterifikasi 65 ~70°C, waktu eterifikasi adalah 100 menit, dan jumlah natrium hidroksida diubah untuk pengujian.

(2) Pengaruh konsentrasi larutan etanol terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa: jumlah alkali tetap adalah 3,2g, perendaman basa dalam penangas air suhu konstan pada 25°C selama 80 menit, konsentrasi larutan etanol 75%, jumlah reagen asam monokloroasetat dikontrol pada 3g, eterifikasi Suhu 65-70°C, waktu eterifikasi adalah 100 menit, dan konsentrasi larutan etanol diubah untuk percobaan.

(3) Pengaruh jumlah asam monokloroasetat terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa: tetapkan pada 25°C untuk alkalisasi, rendam dalam alkali selama 80 menit, tambahkan 3,2g natrium hidroksida untuk membuat konsentrasi larutan etanol 75%, eter Suhunya 65~70°C, waktu eterifikasi adalah 100 menit, dan jumlah asam monokloroasetat diubah untuk percobaan.

(4) Pengaruh suhu eterifikasi terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa: tetapkan pada 25°C untuk alkalisasi, rendam dalam alkali selama 80 menit, tambahkan 3,2g natrium hidroksida untuk membuat konsentrasi larutan etanol 75%, suhu eterifikasi Suhu 65~70℃, waktu eterifikasi 100 menit, dan percobaan dilakukan dengan mengubah dosis asam monokloroasetat.

(5) Pengaruh waktu eterifikasi terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa: ditetapkan pada 25°C untuk alkalisasi, tambahkan 3,2g natrium hidroksida, dan direndam dalam alkali selama 80 menit untuk membuat konsentrasi larutan etanol 75%, dan monoklor terkontrol Dosis reagen asam asetat adalah 3g, suhu eterifikasi 65~70°C, dan waktu eterifikasi diubah untuk percobaan.

1.2.3 Rencana pengujian dan optimalisasi karboksimetil selulosa

Berdasarkan eksperimen faktor tunggal, dirancang eksperimen gabungan rotasi ortogonal regresi kuadratik dengan empat faktor dan lima level. Keempat faktor tersebut adalah waktu eterifikasi, suhu eterifikasi, jumlah NaOH dan jumlah asam monokloroasetat. Pengolahan data menggunakan software statistik SAS8.2 untuk pengolahan data, yang mengungkapkan hubungan antara masing-masing faktor yang mempengaruhi dan derajat substitusi karboksimetil selulosa. hukum batin.

1.2.4 Metode analisis SEM

Sampel bubuk kering difiksasi pada tahap sampel dengan lem konduktif, dan setelah penyemprotan vakum emas, sampel tersebut diamati dan difoto di bawah mikroskop elektron pemindaian Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Hasil dan analisis

2.1 Pengaruh faktor tunggal terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa

2.1.1 Pengaruh jumlah alkali terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa

Ketika NaOH3.2g ditambahkan ke 2g selulosa, derajat substitusi produk adalah yang tertinggi. Jumlah NaOH berkurang, yang tidak cukup untuk membentuk netralisasi selulosa basa dan zat eterifikasi, dan produk memiliki tingkat substitusi yang kecil dan viskositas yang rendah. Sebaliknya jika jumlah NaOH terlalu banyak maka reaksi samping selama hidrolisis asam kloroasetat akan meningkat, konsumsi zat eterifikasi akan meningkat, dan viskositas produk juga akan menurun.

2.1.2 Pengaruh konsentrasi larutan etanol terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa

Sebagian air dalam larutan etanol ada dalam media reaksi di luar selulosa, dan sebagian lagi ada di dalam selulosa. Jika kadar air terlalu besar, CMC akan membengkak di dalam air membentuk jeli selama eterifikasi, sehingga mengakibatkan reaksi yang sangat tidak merata; jika kadar air terlalu sedikit maka reaksi akan sulit berlangsung karena kurangnya media reaksi. Umumnya, etanol 80% adalah pelarut yang paling cocok.

2.1.3 Pengaruh takaran asam monokloroasetat terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa

Jumlah asam monokloroasetat dan natrium hidroksida secara teori adalah 1:2, namun untuk menggerakkan reaksi ke arah menghasilkan CMC, pastikan terdapat basa bebas yang sesuai dalam sistem reaksi, sehingga karboksimetilasi dapat berjalan dengan lancar. Oleh karena itu digunakan metode alkali berlebih, yaitu perbandingan molar zat asam dan basa adalah 1:2.2.

2.1.4 Pengaruh suhu eterifikasi terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa

Semakin tinggi suhu eterifikasi maka laju reaksi semakin cepat, namun reaksi samping juga semakin cepat. Dari sudut pandang keseimbangan kimia, kenaikan suhu tidak menguntungkan bagi pembentukan CMC, tetapi jika suhu terlalu rendah, laju reaksi akan lambat dan laju pemanfaatan zat eterifikasi menjadi rendah. Terlihat bahwa suhu optimum untuk eterifikasi adalah 70°C.

2.1.5 Pengaruh waktu eterifikasi terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa

Dengan bertambahnya waktu eterifikasi, derajat substitusi CMC meningkat, dan laju reaksi dipercepat, tetapi setelah waktu tertentu, reaksi samping meningkat dan derajat substitusi menurun. Ketika waktu eterifikasi 100 menit, derajat substitusinya maksimum.

2.2 Hasil uji ortogonal dan analisis gugus karboksimetil

Terlihat dari tabel analisis varians bahwa pada item primer, keempat faktor waktu eterifikasi, suhu eterifikasi, jumlah NaOH dan jumlah asam monokloroasetat mempunyai pengaruh yang sangat nyata terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa (p <0,01) . Di antara item interaksi, item interaksi waktu eterifikasi dan jumlah asam monokloroasetat, serta item interaksi suhu eterifikasi dan jumlah asam monokloroasetat berpengaruh sangat nyata terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa (p<0,01). Urutan pengaruh berbagai faktor terhadap derajat substitusi karboksimetil selulosa adalah: suhu eterifikasi>jumlah asam monokloroasetat>waktu eterifikasi>jumlah NaOH.

Setelah dilakukan analisis terhadap hasil uji desain kombinasi rotasi ortogonal regresi kuadratik, dapat ditentukan kondisi proses optimal modifikasi karboksimetilasi adalah: waktu eterifikasi 100 menit, suhu eterifikasi 70℃, NaOH dosis 3,2g dan asam monokloroasetat Dosisnya 3,0g, dan derajat substitusi maksimum adalah 0,53.

2.3 Karakterisasi kinerja mikroskopis

Morfologi permukaan partikel selulosa, karboksimetil selulosa dan ikatan silang karboksimetil selulosa dipelajari dengan memindai mikroskop elektron. Selulosa tumbuh berbentuk strip dengan permukaan halus; tepi karboksimetil selulosa lebih kasar dibandingkan selulosa yang diekstraksi, dan struktur rongga meningkat dan volume menjadi lebih besar. Hal ini disebabkan karena struktur ikatan menjadi lebih besar akibat pembengkakan karboksimetil selulosa.

3. Kesimpulan

3.1 Pembuatan selulosa tereterifikasi karboksimetil Urutan kepentingan keempat faktor yang mempengaruhi derajat substitusi selulosa adalah: suhu eterifikasi > takaran asam monokloroasetat > waktu eterifikasi > takaran NaOH. Kondisi proses optimal modifikasi karboksimetilasi adalah waktu eterifikasi 100 menit, suhu eterifikasi 70℃, NaOH dosis 3,2g, asam monokloroasetat dosis 3,0g, dan derajat substitusi maksimum 0,53.

3.2 Kondisi teknologi optimal untuk modifikasi karboksimetilasi adalah: waktu eterifikasi 100 menit, suhu eterifikasi 70℃, dosis NaOH 3,2g, asam monokloroasetat dosis 3,0g, derajat substitusi maksimum 0,53.