Sintesi e proprietà reologiche dell'etere di idrossietilcellulosa

In presenza di un catalizzatore alcalino autoprodotto, idrossietile industriale la cellulosa è stata fatta reagire con il reagente di cationizzazione del N-(2,3-epossipropil)trimetilammonio cloruro (GTA) per preparare ammonio quaternario ad alta sostituzione mediante metodo a secco Tipo di sale Etere di idrossietilcellulosa (HEC). Gli effetti del rapporto tra GTA e idrossietilcellulosa (HEC), il rapporto tra NaOH e HEC, la temperatura di reazione e il tempo di reazione sull'efficienza della reazione sono stati studiati con un piano sperimentale uniforme e le condizioni di processo ottimizzate sono state ottenute attraverso Monte Simulazione Carlo. E l'efficienza di reazione del reagente di eterificazione cationica raggiunge il 95% attraverso la verifica sperimentale. Allo stesso tempo sono state discusse le sue proprietà reologiche. I risultati hanno mostrato che la soluzione diHEC mostrava le caratteristiche del fluido non newtoniano e la sua viscosità apparente aumentava con l'aumento della concentrazione di massa della soluzione; in una certa concentrazione di soluzione salina, la viscosità apparente diHEC diminuiscono all’aumentare della concentrazione del sale aggiunto. Sotto la stessa velocità di taglio, la viscosità apparente diHEC nel sistema di soluzione CaCl2 è superiore a quello diHEC nel sistema di soluzione NaCl.

Parole chiave:Idrossietileetere di cellulosa; processo a secco; proprietà reologiche

La cellulosa ha le caratteristiche di fonti ricche, biodegradabilità, biocompatibilità e facile derivatizzazione ed è un punto caldo della ricerca in molti campi. La cellulosa cationica è uno dei rappresentanti più importanti dei derivati ​​​​della cellulosa. Tra i polimeri cationici per prodotti per la protezione personale registrati dal CTFA della Fragrance Industry Association, il suo consumo è il primo. Può essere ampiamente utilizzato negli additivi condizionanti del balsamo per capelli, negli ammorbidenti, negli inibitori dell'idratazione dello scisto di perforazione e negli agenti anticoagulanti del sangue e in altri campi.

Allo stato attuale, il metodo di preparazione dell'etere di idrossietilcellulosa cationico di ammonio quaternario è un metodo con solvente, che richiede una grande quantità di solventi organici costosi, è costoso, pericoloso e inquina l'ambiente. Rispetto al metodo con solvente, il metodo a secco presenta gli eccezionali vantaggi di un processo semplice, un'elevata efficienza di reazione e un minore inquinamento ambientale. In questo articolo, l'etere di cellulosa cationico è stato sintetizzato con il metodo a secco ed è stato studiato il suo comportamento reologico.

1. Parte sperimentale

1.1 Materiali e reagenti

Idrossietilcellulosa (prodotto industriale HEC, il suo grado di sostituzione molecolare DS è 1,8~2,0); reagente cationizzante N-(2,3-epossipropil)trimetilammonio cloruro (GTA), preparato da epossicloruro Propano e trimetilammina sono prodotti autonomamente in determinate condizioni; catalizzatore alcalino autoprodotto; l'etanolo e l'acido acetico glaciale sono analiticamente puri; NaCl, KCl, CaCl2 e AlCl3 sono reagenti chimicamente puri.

1.2 Preparazione della cellulosa cationica di ammonio quaternario

Aggiungere 5 g di idrossietilcellulosa e una quantità adeguata di catalizzatore alcalino fatto in casa in un cilindro cilindrico di acciaio dotato di agitatore e agitare per 20 minuti a temperatura ambiente; quindi aggiungere una certa quantità di GTA, continuare ad agitare per 30 minuti a temperatura ambiente e reagire ad una certa temperatura e tempo, si ottiene un prodotto solido grezzo essenzialmente a base di. Il prodotto grezzo viene immerso in una soluzione di etanolo contenente una quantità appropriata di acido acetico, filtrato, lavato ed essiccato sotto vuoto per ottenere cellulosa cationica di ammonio quaternario in polvere.

1.3 Determinazione della frazione massica di azoto dell'idrossietilcellulosa cationica di ammonio quaternario

La frazione in massa di azoto nei campioni è stata determinata mediante il metodo Kjeldahl.

2. Progettazione sperimentale e ottimizzazione del processo di sintesi a secco

Per progettare l'esperimento è stato utilizzato il metodo di progettazione uniforme e sono stati studiati gli effetti del rapporto tra GTA e idrossietilcellulosa (HEC), il rapporto tra NaOH e HEC, la temperatura di reazione e il tempo di reazione sull'efficienza della reazione.

3. Ricerche sulle proprietà reologiche

3.1 Influenza della concentrazione e della velocità di rotazione

Prendendo l'effetto della velocità di taglio sulla viscosità apparente diHEC a diverse concentrazioni Ds=0,11 ad esempio, si può vedere che man mano che lo shear rate aumenta gradualmente da 0,05 a 0,5 s-1, la viscosità apparente delHEC la soluzione diminuisce, soprattutto a 0,05 ~0,5 s-1 la viscosità apparente è scesa drasticamente da 160 MPa·sa 40MPa·s, assottigliamento al taglio, che indica che ilHEC la soluzione acquosa mostrava proprietà reologiche non newtoniane. L'effetto dello sforzo di taglio applicato è quello di ridurre la forza di interazione tra le particelle della fase dispersa. In determinate condizioni, maggiore è la forza, maggiore è la viscosità apparente.

Lo si può vedere anche dalle viscosità apparenti del 3% e del 4%HEC soluzioni acquose che la concentrazione di massa è rispettivamente del 3% e del 4% a diverse velocità di taglio. La viscosità apparente della soluzione indica che la sua capacità di aumentare la viscosità aumenta con la concentrazione. Il motivo è che all'aumentare della concentrazione nel sistema della soluzione, si verifica la mutua repulsione tra le molecole della catena principale delHEC e tra le catene molecolari aumenta, e aumenta la viscosità apparente.

3.2 Effetto di diverse concentrazioni di sale aggiunto

La concentrazione diHEC è stato fissato al 3% e l'effetto dell'aggiunta del sale NaCl sulle proprietà di viscosità della soluzione è stato studiato a diverse velocità di taglio.

Dai risultati si può vedere che la viscosità apparente diminuisce con l'aumentare della concentrazione del sale aggiunto, mostrando un evidente fenomeno del polielettrolita. Questo perché parte del Na+ nella soluzione salina è legato all'anione delHEC catena laterale. Maggiore è la concentrazione della soluzione salina, maggiore sarà il grado di neutralizzazione o schermatura del poliione da parte del controione e la riduzione della repulsione elettrostatica, con conseguente diminuzione della densità di carica del poliione. , la catena polimerica si restringe e si arriccia e la concentrazione apparente diminuisce.

3.3 Effetto dei diversi sali aggiunti su

Lo si può vedere dall'influenza di due diversi sali aggiunti, Nacl e CaCl2, sulla viscosità apparente delHEC soluzione che la viscosità apparente diminuisce con l'aggiunta del sale aggiunto e, alla stessa velocità di taglio, la viscosità apparente delHEC soluzione nel sistema di soluzione CaCl2 La viscosità apparente è significativamente superiore a quella diHEC soluzione nel sistema di soluzione NaCl. Il motivo è che il sale di calcio è uno ione bivalente ed è più facile legarsi al Cl- della catena laterale del polielettrolita. La combinazione del gruppo ammonio quaternario onHEC con Cl- è ridotto e la schermatura è inferiore e la densità di carica della catena polimerica è maggiore, con il risultato che la repulsione elettrostatica sulla catena polimerica è maggiore e la catena polimerica è allungata, quindi la viscosità apparente è maggiore.

4. Conclusione

La preparazione a secco della cellulosa cationica altamente sostituita è un metodo di preparazione ideale con funzionamento semplice, elevata efficienza di reazione e minore inquinamento e può evitare un elevato consumo energetico, inquinamento ambientale e tossicità causata dall'uso di solventi.

La soluzione di etere di cellulosa cationico presenta le caratteristiche del fluido non newtoniano e ha le caratteristiche di assottigliamento al taglio; all'aumentare della concentrazione in massa della soluzione aumenta la sua viscosità apparente; in una certa concentrazione di soluzione salina,HEC la viscosità apparente aumenta con l'aumento e la diminuzione. Sotto la stessa velocità di taglio, la viscosità apparente diHEC nel sistema di soluzione CaCl2 è superiore a quello diHEC nel sistema di soluzione NaCl.