Cellulosa CMC e sua caratterizzazione strutturale

Utilizzando la cellulosa di paglia come materia prima, è stata modificata mediante eterificazione. Attraverso il test a fattore singolo e di rotazione, sono state determinate le condizioni ottimali per la preparazione della carbossimetilcellulosa: tempo di eterificazione 100min, temperatura di eterificazione 70℃, dosaggio di NaOH 3,2 ge dosaggio di acido monocloroacetico 3,0 g, la sostituzione massima Il grado è 0,53.

Parole chiave: CMCcellulosa; acido monocloroacetico; eterificazione; modifica

Carbossimetilcellulosaè l'etere di cellulosa più prodotto e venduto al mondo. È ampiamente utilizzato nei detersivi, negli alimenti, nei dentifrici, nei tessili, nella stampa e nella tintura, nella fabbricazione della carta, nel petrolio, nell'estrazione mineraria, nella medicina, nella ceramica, nei componenti elettronici, nella gomma, nelle vernici, nei pesticidi, nei cosmetici, nel cuoio, nella plastica e nella trivellazione petrolifera, ecc., noto come “glutammato monosodico industriale”. La carbossimetilcellulosa è un derivato dell'etere di cellulosa solubile in acqua ottenuto modificando chimicamente la cellulosa naturale. La cellulosa, la principale materia prima per la produzione della carbossimetilcellulosa, è una delle risorse naturali rinnovabili più abbondanti sulla terra, con una produzione annua di centinaia di miliardi di tonnellate. il mio paese è un grande paese agricolo e uno dei paesi con le risorse di paglia più abbondanti. La paglia è sempre stata uno dei principali combustibili viventi per i residenti rurali. Queste risorse non sono state sviluppate in modo razionale per molto tempo e ogni anno nel mondo viene utilizzato meno del 2% dei rifiuti agricoli e forestali come la paglia. Il riso è la principale coltura economica nella provincia di Heilongjiang, con una superficie coltivata di oltre 2 milioni di hm2, una produzione annua di 14 milioni di tonnellate di riso e 11 milioni di tonnellate di paglia. Gli agricoltori generalmente li bruciano direttamente sul campo come rifiuti, il che non solo rappresenta un enorme spreco di risorse naturali, ma causa anche un grave inquinamento dell’ambiente. Pertanto, realizzare l’utilizzo delle risorse della paglia è la necessità della strategia di sviluppo sostenibile dell’agricoltura.

1. Materiali e metodi sperimentali

1.1 Materiali e attrezzature sperimentali

Cellulosa di paglia, prodotta autonomamente in laboratorio; JJ～1 tipo di miscelatore elettrico, fabbrica di strumenti sperimentali Jintan Guowang; SHZW2C tipo RS—Una pompa a vuoto, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pHmetro pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A forno di essiccazione a temperatura costante con riscaldamento elettrico, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; Microscopio elettronico a scansione HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments; etanolo; idrossido di sodio; acido cloroacetico, ecc. (i reagenti di cui sopra sono analiticamente puri).

1.2 Metodo sperimentale

1.2.1 Preparazione della carbossimetilcellulosa

(1) Metodo di preparazione della carbossimetilcellulosa: pesare 2 g di cellulosa in un pallone a tre colli, aggiungere 2,8 g di NaOH, 20 mL di soluzione di etanolo al 75% e immergere in alcali in un bagnomaria a temperatura costante a 25°C per 80 minuti. Mescolare con un mixer per amalgamare bene. Durante questo processo, la cellulosa reagisce con la soluzione alcalina per formare cellulosa alcalina. Nella fase di eterificazione, aggiungere 10 mL di soluzione di etanolo al 75% e 3 g di acido cloroacetico al pallone a tre colli reagito sopra, aumentare la temperatura a 65-70° C., e reagire per 60 minuti. Aggiungere l'alcali per la seconda volta, quindi aggiungere 0,6 g di NaOH nel pallone di reazione sopra per mantenere la temperatura a 70°C, e il tempo di reazione è di 40 minuti per ottenere Na grezzo—CMC (carbossimetilcellulosa di sodio).

Neutralizzazione e lavaggio: aggiungere 1 moL·Acido cloridrico L-1 e neutralizzare la reazione a temperatura ambiente fino a pH=7~8. Quindi lavare due volte con etanolo al 50%, quindi lavare una volta con etanolo al 95%, filtrare con aspirazione e asciugare a 80-90°C per 2 ore.

(2) Determinazione del grado di sostituzione del campione: metodo di determinazione del misuratore di acidità: pesare 0,2 g (precisione fino a 0,1 mg) del campione Na-CMC purificato ed essiccato, scioglierlo in 80 ml di acqua distillata, agitare elettromagneticamente per 10 minuti e regolare con acido o alcali La soluzione ha portato il pH della soluzione a 8. Quindi titolare la soluzione di prova con una soluzione standard di acido solforico in un bicchiere dotato di un elettrodo pHmetro e osservare l'indicazione del pHmetro mentre si titola fino a quando il pH è 3.74. Annotare il volume della soluzione standard di acido solforico utilizzata.

1.2.2 Metodo di prova a fattore singolo

(1) L'effetto della quantità di alcali sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa: effettuare l'alcalinizzazione a 25℃, immersione in alcali per 80 minuti, la concentrazione nella soluzione di etanolo è del 75%, controllare la quantità di reagente acido monocloroacetico 3 g, la temperatura di eterificazione è 65 ~ 70°C, il tempo di eterificazione è stato di 100 minuti e la quantità di idrossido di sodio è stata modificata per il test.

(2) L'effetto della concentrazione della soluzione di etanolo sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa: la quantità di alcali fissi è 3,2 g, immersione alcalina in un bagno d'acqua a temperatura costante a 25°C per 80 minuti, la concentrazione della soluzione di etanolo è del 75%, la quantità di reagente acido monocloroacetico è controllata a 3 g, eterificazione La temperatura è 65-70°C, il tempo di eterificazione è di 100 minuti e la concentrazione della soluzione di etanolo viene modificata per l'esperimento.

(3) L'effetto della quantità di acido monocloroacetico sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa: fissare a 25°C per l'alcalinizzazione, immergere in alcali per 80 minuti, aggiungere 3,2 g di idrossido di sodio per rendere la concentrazione della soluzione di etanolo al 75%, etere La temperatura è 65~70°C, il tempo di eterificazione è di 100 minuti e la quantità di acido monocloroacetico viene modificata per l'esperimento.

(4) Effetto della temperatura di eterificazione sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa: fissare a 25°C per alcalinizzazione, immergere in alcali per 80 minuti, aggiungere 3,2 g di idrossido di sodio per rendere la concentrazione della soluzione di etanolo al 75%, temperatura di eterificazione. La temperatura è 65~70℃, il tempo di eterificazione è di 100 minuti e l'esperimento viene effettuato modificando il dosaggio di acido monocloroacetico.

(5) Effetto del tempo di eterificazione sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa: fissato a 25°C per alcalinizzazione, aggiunti 3,2 g di idrossido di sodio e immersi in alcali per 80 minuti per ottenere una concentrazione della soluzione di etanolo al 75% e monocloruro controllato. Il dosaggio del reagente acido acetico è 3 g, la temperatura di eterificazione è 65~70°C e il tempo di eterificazione viene modificato per l'esperimento.

1.2.3 Piano di test e ottimizzazione della carbossimetilcellulosa

Sulla base dell'esperimento a fattore singolo, è stato progettato un esperimento combinato di regressione quadratica con rotazione ortogonale con quattro fattori e cinque livelli. I quattro fattori sono il tempo di eterificazione, la temperatura di eterificazione, la quantità di NaOH e la quantità di acido monocloroacetico. L'elaborazione dei dati utilizza il software statistico SAS8.2 per l'elaborazione dei dati, che rivela la relazione tra ciascun fattore d'influenza e il grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa. legge interiore.

1.2.4 Metodo di analisi SEM

Il campione di polvere essiccata è stato fissato sul tavolo del campione con colla conduttiva e, dopo aver spruzzato l'oro sotto vuoto, è stato osservato e fotografato con un microscopio elettronico a scansione Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Risultati e analisi

2.1 Effetto di un singolo fattore sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa

2.1.1 L'effetto della quantità di alcali sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa

Quando NaOH 3,2 g veniva aggiunto a 2 g di cellulosa, il grado di sostituzione del prodotto era massimo. La quantità di NaOH è ridotta, il che non è sufficiente per formare la neutralizzazione della cellulosa alcalina e dell'agente di eterificazione, e il prodotto ha un piccolo grado di sostituzione e una bassa viscosità. Al contrario, se la quantità di NaOH è eccessiva, aumenteranno le reazioni collaterali durante l'idrolisi dell'acido cloroacetico, aumenterà il consumo di agente eterificante e diminuirà anche la viscosità del prodotto.

2.1.2 Effetto della concentrazione della soluzione di etanolo sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa

Parte dell'acqua nella soluzione di etanolo esiste nel mezzo di reazione all'esterno della cellulosa e l'altra parte esiste nella cellulosa. Se il contenuto di acqua è troppo elevato, la CMC si rigonfierà nell'acqua per formare gelatina durante l'eterificazione, determinando una reazione molto irregolare; se il contenuto di acqua è troppo piccolo, la reazione sarà difficile da procedere a causa della mancanza del mezzo di reazione. Generalmente, l'etanolo all'80% è il solvente più adatto.

2.1.3 Effetto del dosaggio dell'acido monocloroacetico sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa

La quantità di acido monocloroacetico e idrossido di sodio è teoricamente 1:2, ma per spostare la reazione nella direzione di generazione di CMC, assicurarsi che sia presente una base libera adeguata nel sistema di reazione, in modo che la carbossimetilazione possa procedere senza intoppi. Per questo motivo viene adottato il metodo dell'eccesso di alcali, ovvero il rapporto molare tra sostanze acide e alcaline è 1:2,2.

2.1.4 Effetto della temperatura di eterificazione sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa

Maggiore è la temperatura di eterificazione, maggiore è la velocità di reazione, ma anche le reazioni collaterali vengono accelerate. Dal punto di vista dell’equilibrio chimico, l’aumento della temperatura è sfavorevole alla formazione di CMC, ma se la temperatura è troppo bassa, la velocità di reazione è lenta e il tasso di utilizzo dell’agente eterificante è basso. Si può vedere che la temperatura ottimale per l'eterificazione è 70°C.

2.1.5 Effetto del tempo di eterificazione sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa

Con l'aumento del tempo di eterificazione, il grado di sostituzione della CMC aumenta e la velocità di reazione viene accelerata, ma dopo un certo tempo le reazioni collaterali aumentano e il grado di sostituzione diminuisce. Quando il tempo di eterificazione è di 100 minuti, il grado di sostituzione è massimo.

2.2 Risultati dei test ortogonali e analisi dei gruppi carbossimetilici

Dalla tabella di analisi della varianza si può vedere che nell'elemento primario, i quattro fattori tempo di eterificazione, temperatura di eterificazione, quantità di NaOH e quantità di acido monocloroacetico hanno un impatto molto significativo sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa (p <0,01). Tra gli elementi di interazione, gli elementi di interazione del tempo di eterificazione e della quantità di acido monocloroacetico e gli elementi di interazione della temperatura di eterificazione e della quantità di acido monocloroacetico hanno avuto un effetto molto significativo sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa (p<0,01). L'ordine di influenza di vari fattori sul grado di sostituzione della carbossimetilcellulosa era: temperatura di eterificazione>quantità di acido monocloroacetico>tempo di eterificazione>quantità di NaOH.

Dopo l'analisi dei risultati del test del progetto della combinazione di rotazione ortogonale di regressione quadratica, è possibile determinare che le condizioni di processo ottimali per la modifica della carbossimetilazione sono: tempo di eterificazione 100 minuti, temperatura di eterificazione 70℃, dosaggio di NaOH 3,2 g e acido monocloroacetico Il dosaggio è 3,0 g e il grado massimo di sostituzione è 0,53.

2.3 Caratterizzazione microscopica delle prestazioni

La morfologia superficiale delle particelle di cellulosa, carbossimetilcellulosa e carbossimetilcellulosa reticolata è stata studiata mediante microscopia elettronica a scansione. La cellulosa cresce sotto forma di striscia con superficie liscia; il bordo della carbossimetilcellulosa è più ruvido di quello della cellulosa estratta, la struttura della cavità aumenta e il volume diventa più grande. Questo perché la struttura del fascio diventa più grande a causa del rigonfiamento della carbossimetilcellulosa.

3. Conclusione

3.1 Preparazione della cellulosa carbossimetil eterificata L'ordine di importanza dei quattro fattori che influenzano il grado di sostituzione della cellulosa è: temperatura di eterificazione > dosaggio di acido monocloroacetico > tempo di eterificazione > dosaggio di NaOH. Le condizioni ottimali del processo di modifica della carbossimetilazione sono il tempo di eterificazione di 100 minuti, la temperatura di eterificazione di 70℃, dosaggio di NaOH 3,2 g, dosaggio di acido monocloroacetico 3,0 g e grado di sostituzione massimo 0,53.

3.2 Le condizioni tecnologiche ottimali per la modificazione della carbossimetilazione sono: tempo di eterificazione 100 minuti, temperatura di eterificazione 70℃, dosaggio NaOH 3,2 g, dosaggio acido monocloroacetico 3,0 g, grado di sostituzione massimo 0,53.