CMC ცელულოზა და მისი სტრუქტურის დახასიათება

ნედლეულად ჩალის ცელულოზის გამოყენებით, იგი შეიცვალა ეთერიფიკაციის გზით. ერთი ფაქტორისა და ბრუნვის ტესტის საშუალებით კარბოქსიმეთილცელულოზის მომზადების ოპტიმალური პირობები განისაზღვრა: ეთერიზაციის დრო 100 წთ, ეთერიზაციის ტემპერატურა 70℃, NaOH დოზა 3.2გ და მონოქლოროძმარმჟავას დოზა 3.0გ, მაქსიმალური ჩანაცვლების ხარისხი არის 0.53.

საკვანძო სიტყვები: CMCცელულოზა; მონოქლოროძმარმჟავა; ეთერიფიკაცია; მოდიფიკაცია

კარბოქსიმეთილ ცელულოზაარის ყველაზე მეტად წარმოებული და გაყიდული ცელულოზის ეთერი მსოფლიოში. იგი ფართოდ გამოიყენება სარეცხი საშუალებების, საკვების, კბილის პასტების, ტექსტილის, ბეჭდვისა და შეღებვის, ქაღალდის დამზადების, ნავთობის, სამთო, მედიცინის, კერამიკის, ელექტრონული კომპონენტების, რეზინის, საღებავების, პესტიციდების, კოსმეტიკური საშუალებების, ტყავის, პლასტმასის და ნავთობის ბურღვაში და ა.შ. როგორც "ინდუსტრიული მონოსტრიუმის გლუტამატი". კარბოქსიმეთილ ცელულოზა არის წყალში ხსნადი ცელულოზის ეთერის წარმოებული, რომელიც მიიღება ბუნებრივი ცელულოზის ქიმიურად მოდიფიცირებით. ცელულოზა, მთავარი ნედლეული კარბოქსიმეთილცელულოზის წარმოებისთვის, არის ერთ-ერთი ყველაზე უხვი ბუნებრივი განახლებადი რესურსი დედამიწაზე, ყოველწლიური წარმოებით ასობით მილიარდი ტონა. ჩემი ქვეყანა არის დიდი სასოფლო-სამეურნეო ქვეყანა და ერთ-ერთი ქვეყანა, რომელსაც აქვს ყველაზე მდიდარი ჩალის რესურსი. ჩალა ყოველთვის იყო ერთ-ერთი მთავარი საწვავი სოფლის მაცხოვრებლებისთვის. ეს რესურსები დიდი ხანია რაციონალურად არ არის განვითარებული და ყოველწლიურად მსოფლიოში გამოიყენება სოფლის მეურნეობისა და სატყეო ნარჩენების 2%-ზე ნაკლები, როგორიცაა ჩალა. ბრინჯი არის მთავარი ეკონომიკური კულტურა ჰეილონჯიანგის პროვინციაში, 2 მილიონ ჰმ2-ზე მეტი გამწვანების ფართობით, წლიური გამომუშავებით 14 მილიონი ტონა ბრინჯი და 11 მილიონი ტონა ჩალა. როგორც წესი, ფერმერები მათ პირდაპირ მინდორში ნარჩენების სახით წვავენ, რაც არა მხოლოდ ბუნებრივი რესურსების უზარმაზარ ხარჯვას წარმოადგენს, არამედ იწვევს გარემოს სერიოზულ დაბინძურებას. ამიტომ, ჩალის რესურსით სარგებლობის რეალიზება სოფლის მეურნეობის მდგრადი განვითარების სტრატეგიის საჭიროებაა.

1. ექსპერიმენტული მასალები და მეთოდები

1.1 ექსპერიმენტული მასალები და აღჭურვილობა

ჩალის ცელულოზა, თვითნაკეთი ლაბორატორიაში; JJ～1 ტიპის ელექტრო მიქსერი, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory; SHZW2C ტიპის RS-ვაკუუმის ტუმბო, შპს Shanghai Pengfu Electromechanical Co.; pHS-3C pH meter, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A ელექტრო გათბობის მუდმივი ტემპერატურის საშრობი ღუმელი, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; HITACHI-S ~ 3400N სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპი, Hitachi Instruments; ეთანოლი; ნატრიუმის ჰიდროქსიდი; ქლოროძმარმჟავა და ა.შ. (ზემოხსენებული რეაგენტები ანალიტიკურად სუფთაა).

1.2 ექსპერიმენტული მეთოდი

1.2.1 კარბოქსიმეთილცელულოზის მომზადება

(1) კარბოქსიმეთილცელულოზის მომზადების მეთოდი: აწონეთ 2 გ ცელულოზა სამყელიან კოლბაში, დაამატეთ 2,8 გ NaOH, 20 მლ 75% ეთანოლის ხსნარი და ჩაყარეთ ტუტეში მუდმივი ტემპერატურის წყლის აბაზანაში 25 ტემპერატურაზე.°C 80 წუთის განმავლობაში. კარგად აურიეთ მიქსერით. ამ პროცესის დროს ცელულოზა რეაგირებს ტუტე ხსნართან და წარმოქმნის ტუტე ცელულოზას. ეთერიფიკაციის სტადიაზე ზემოთ მოყვანილ სამყივან კოლბას დაამატეთ 10 მლ 75% ეთანოლის ხსნარი და 3 გ ქლოროძმარმჟავა, აწიეთ ტემპერატურა 65-70-მდე.° C. და რეაგირება 60 წუთის განმავლობაში. მეორედ დაამატეთ ტუტე, შემდეგ დაამატეთ 0,6 გ NaOH ზემოაღნიშნულ სარეაქციო კოლბაში, რომ ტემპერატურა 70-ზე შენარჩუნდეს.°C და რეაქციის დროა 40 წუთი ნედლი Na-ს მისაღებად-CMC (ნატრიუმის კარბოქსიმეთილცელულოზა).

განეიტრალება და გარეცხვა: დაამატეთ 1მოლ·L-1 მარილმჟავა და გაანეიტრალეთ რეაქცია ოთახის ტემპერატურაზე pH=7~8-მდე. შემდეგ ორჯერ ჩამოიბანეთ 50%-იანი ეთანოლით, შემდეგ ერთხელ ჩამოიბანეთ 95%-იანი ეთანოლით, გაფილტრეთ შეწოვით და გააშრეთ 80-90 გრადუსზე.°C 2 საათის განმავლობაში.

(2) ნიმუშის ჩანაცვლების ხარისხის განსაზღვრა: მჟავიანობის მრიცხველის განსაზღვრის მეთოდი: აწონეთ 0.2 გ (ზუსტად 0.1 მგ-მდე) გაწმენდილი და გამხმარი Na-CMC ნიმუში, გახსენით 80 მლ გამოხდილ წყალში, აურიეთ ელექტრომაგნიტურად 10 წუთის განმავლობაში და შეცვალეთ. იგი მჟავით ან ტუტეთი ხსნარმა მიიყვანა ხსნარის pH 8-მდე. შემდეგ სატესტო ხსნარი გოგირდმჟავას სტანდარტული ხსნარით ტიტრარდება pH მრიცხველის ელექტროდით აღჭურვილ ჭიქაში და ტიტრირებისას დააკვირდით pH მეტრის მითითებას, სანამ pH არ გახდება. 3.74. გაითვალისწინეთ გამოყენებული გოგირდმჟავას სტანდარტული ხსნარის მოცულობა.

1.2.2 ერთი ფაქტორიანი ტესტის მეთოდი

(1) ტუტეს რაოდენობის გავლენა კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე: განახორციელეთ ალკალიზაცია 25-ზე℃ტუტეში ჩაძირვა 80 წუთის განმავლობაში, კონცენტრაცია ეთანოლის ხსნარში არის 75%, კონტროლი მონოქლორძმარმჟავას რეაგენტის რაოდენობა 3გ, ეთერიფიკაციის ტემპერატურა 65 ~ 70°C, ეთერიზაციის დრო იყო 100 წუთი და ნატრიუმის ჰიდროქსიდის რაოდენობა შეიცვალა ტესტისთვის.

(2) ეთანოლის ხსნარის კონცენტრაციის გავლენა კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე: ფიქსირებული ტუტეს რაოდენობაა 3,2 გ, ტუტე ჩაძირვა მუდმივი ტემპერატურის წყლის აბაზანაში 25 გრადუსზე.°C 80 წუთის განმავლობაში, ეთანოლის ხსნარის კონცენტრაცია არის 75%, მონოქლოროძმარმჟავას რეაგენტის რაოდენობა კონტროლდება 3 გ-ზე, ეთერიფიკაცია ტემპერატურა 65-70°C, ეთერიზაციის დრო არის 100 წუთი, ხოლო ეთანოლის ხსნარის კონცენტრაცია იცვლება ექსპერიმენტისთვის.

(3) მონოქლოროძმარმჟავას რაოდენობის გავლენა კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე: ფიქსირდება 25-ზე°C ალკალიზაციისთვის, ჩაალბეთ ტუტეში 80 წუთის განმავლობაში, დაამატეთ 3,2 გ ნატრიუმის ჰიდროქსიდი, რათა ეთანოლის ხსნარის კონცენტრაცია იყოს 75%, ეთერი ტემპერატურა 65-70°C, ეთერიზაციის დრო არის 100 წუთი, ხოლო მონოქლოროძმარმჟავას რაოდენობა იცვლება ექსპერიმენტისთვის.

(4) ეთერიფიკაციის ტემპერატურის ეფექტი კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე: ფიქსირდება 25-ზე°C ალკალიზაციისთვის, ჩაალბეთ ტუტეში 80 წუთის განმავლობაში, დაამატეთ 3,2 გ ნატრიუმის ჰიდროქსიდი, რათა ეთანოლის ხსნარის კონცენტრაცია იყოს 75%, ეთერიზაციის ტემპერატურა ტემპერატურა 65-70℃ეთერიფიკაციის დრო არის 100 წუთი და ექსპერიმენტი ტარდება მონოქლორძმარმჟავას დოზის შეცვლით.

(5) ეთერიფიკაციის დროის ეფექტი კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე: ფიქსირდება 25-ზე°C ალკალიზაციისთვის, დაემატა 3.2 გ ნატრიუმის ჰიდროქსიდი და გაჟღენთილია ტუტეში 80 წუთის განმავლობაში, რათა ეთანოლის ხსნარის კონცენტრაცია იყოს 75%, და კონტროლირებადი მონოქლორი ძმარმჟავას რეაგენტის დოზაა 3 გ, ეთერიფიკაციის ტემპერატურა 65-70°C და ეთერიზაციის დრო იცვლება ექსპერიმენტისთვის.

1.2.3 ტესტის გეგმა და კარბოქსიმეთილცელულოზის ოპტიმიზაცია

ერთი ფაქტორიანი ექსპერიმენტის საფუძველზე შეიქმნა კვადრატული რეგრესიის ორთოგონალური ბრუნვის კომბინირებული ექსპერიმენტი ოთხი ფაქტორით და ხუთ დონეზე. ოთხი ფაქტორია ეთერიზაციის დრო, ეთერიზაციის ტემპერატურა, NaOH-ის რაოდენობა და მონოქლოროძმარმჟავას რაოდენობა. მონაცემთა დამუშავება იყენებს SAS8.2 სტატისტიკურ პროგრამას მონაცემთა დამუშავებისთვის, რომელიც ავლენს ურთიერთობას თითოეულ გავლენიან ფაქტორსა და კარბოქსიმეთილ ცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხს შორის. შინაგანი კანონი.

1.2.4 SEM ანალიზის მეთოდი

გამხმარი ფხვნილის ნიმუში დაფიქსირდა ნიმუშის სტადიაზე გამტარი წებოთი, ხოლო ოქროს ვაკუუმური შესხურების შემდეგ დაფიქსირდა და გადაიღეს Hitachi-S-3400N Hitachi სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის ქვეშ.

2. შედეგები და ანალიზი

2.1 ერთი ფაქტორის მოქმედება კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე

2.1.1 ტუტეს რაოდენობის გავლენა კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე

როდესაც NaOH3.2g დაემატა 2გ ცელულოზას, პროდუქტის ჩანაცვლების ხარისხი ყველაზე მაღალი იყო. NaOH-ის რაოდენობა მცირდება, რაც საკმარისი არ არის ტუტე ცელულოზის და ეთერიფიკაციის აგენტის განეიტრალების შესაქმნელად, ხოლო პროდუქტს აქვს მცირე ჩანაცვლების ხარისხი და დაბალი სიბლანტე. პირიქით, თუ NaOH-ის რაოდენობა ძალიან ბევრია, გაიზრდება გვერდითი რეაქციები ქლოროძმარმჟავას ჰიდროლიზის დროს, გაიზრდება ეთერიფიკატორის მოხმარება და ასევე შემცირდება პროდუქტის სიბლანტე.

2.1.2 ეთანოლის ხსნარის კონცენტრაციის ეფექტი კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე

წყლის ნაწილი ეთანოლის ხსნარში არის რეაქციის გარემოში ცელულოზის გარეთ, ხოლო მეორე ნაწილი არსებობს ცელულოზაში. თუ წყლის შემცველობა ძალიან დიდია, CMC ადიდდება წყალში და წარმოიქმნება ჟელე ეთერიფიკაციის დროს, რაც გამოიწვევს ძალიან არათანაბარ რეაქციას; თუ წყლის შემცველობა ძალიან მცირეა, რეაქცია გაძნელდება რეაქციის საშუალების ნაკლებობის გამო. ზოგადად, 80% ეთანოლი არის ყველაზე შესაფერისი გამხსნელი.

2.1.3 მონოქლორძმარმჟავას დოზის ეფექტი კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე

მონოქლოროძმარმჟავას და ნატრიუმის ჰიდროქსიდის რაოდენობა თეორიულად არის 1:2, მაგრამ იმისათვის, რომ რეაქცია გადავიდეს CMC წარმოქმნის მიმართულებით, დარწმუნდით, რომ რეაქციის სისტემაში არის შესაფერისი თავისუფალი ბაზა, რათა კარბოქსიმეთილაცია შეუფერხებლად წარიმართოს. ამ მიზეზით, მიღებულია ჭარბი ტუტეების მეთოდი, ანუ მჟავა და ტუტე ნივთიერებების მოლური თანაფარდობაა 1:2.2.

2.1.4 ეთერიფიკაციის ტემპერატურის ეფექტი კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე

რაც უფრო მაღალია ეთერიზაციის ტემპერატურა, მით უფრო სწრაფია რეაქციის სიჩქარე, მაგრამ გვერდითი რეაქციებიც დაჩქარებულია. ქიმიური ბალანსის თვალსაზრისით, ტემპერატურის მატება არახელსაყრელია CMC-ის წარმოქმნისთვის, მაგრამ თუ ტემპერატურა ძალიან დაბალია, რეაქციის სიჩქარე ნელია და ეთერიფიკატორის გამოყენების სიჩქარე დაბალია. ჩანს, რომ ეთერიფიკაციის ოპტიმალური ტემპერატურაა 70°C.

2.1.5 ეთერიზაციის დროის ეფექტი კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე

ეთერიზაციის დროის მატებასთან ერთად იზრდება CMC-ის ჩანაცვლების ხარისხი და აჩქარებულია რეაქციის სიჩქარე, მაგრამ გარკვეული დროის შემდეგ იზრდება გვერდითი რეაქციები და მცირდება ჩანაცვლების ხარისხი. როდესაც ეთერიზაციის დრო 100 წუთია, ჩანაცვლების ხარისხი მაქსიმალურია.

2.2 ორთოგონალური ტესტის შედეგები და კარბოქსიმეთილის ჯგუფების ანალიზი

დისპერსიული ანალიზის ცხრილიდან ჩანს, რომ პირველ პუნქტში ეთერიზაციის დროის ოთხი ფაქტორი, ეთერიზაციის ტემპერატურა, NaOH-ის რაოდენობა და მონოქლოროძმარმჟავას რაოდენობა ძალიან მნიშვნელოვან გავლენას ახდენენ კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე. <0.01). ურთიერთქმედების ერთეულებს შორის კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე ძალიან მნიშვნელოვანი გავლენა იქონია ეთერიფიკაციის დროისა და მონოქლორძმარმჟავას ოდენობის ურთიერთქმედების ერთეულებმა და ეთერიზაციის ტემპერატურისა და მონოქლორძმარმჟავას ოდენობის ურთიერთქმედების ერთეულებმა (p<0.01). კარბოქსიმეთილცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე სხვადასხვა ფაქტორების გავლენის რიგი იყო: ეთერიფიკაციის ტემპერატურა>მონოქლოროძმარმჟავას რაოდენობა>ეთერიზაციის დრო>NaOH-ის რაოდენობა.

კვადრატული რეგრესიის ორთოგონალური ბრუნვის კომბინაციის დიზაინის ტესტის შედეგების ანალიზის შემდეგ შეიძლება დადგინდეს, რომ კარბოქსიმეთილაციის მოდიფიკაციის პროცესის ოპტიმალური პირობებია: ეთერიზაციის დრო 100 წთ, ეთერიზაციის ტემპერატურა 70℃, NaOH დოზა 3.2გ და მონოქლორძმარმჟავა დოზაა 3.0გ, ხოლო ჩანაცვლების მაქსიმალური ხარისხი 0.53.

2.3 მიკროსკოპული შესრულების დახასიათება

ცელულოზის, კარბოქსიმეთილცელულოზისა და ჯვარედინი კარბოქსიმეთილცელულოზის ნაწილაკების ზედაპირული მორფოლოგია შესწავლილი იქნა სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპით. ცელულოზა იზრდება ზოლის სახით გლუვი ზედაპირით; კარბოქსიმეთილ ცელულოზის კიდე უფრო უხეშია, ვიდრე მოპოვებული ცელულოზის, ხოლო ღრუს სტრუქტურა იზრდება და მოცულობა უფრო დიდი ხდება. ეს იმიტომ ხდება, რომ შეკვრის სტრუქტურა უფრო დიდი ხდება კარბოქსიმეთილ ცელულოზის შეშუპების გამო.

3. დასკვნა

3.1 კარბოქსიმეთილეთერიფიცირებული ცელულოზის მომზადება ცელულოზის ჩანაცვლების ხარისხზე მოქმედი ოთხი ფაქტორის მნიშვნელობის რიგია: ეთერიფიკაციის ტემპერატურა > მონოქლორძმარმჟავას დოზა > ეთერიზაციის დრო > NaOH დოზა. კარბოქსიმეთილაციის მოდიფიკაციის პროცესის ოპტიმალური პირობებია ეთერიფიკაციის დრო 100 წუთი, ეთერიზაციის ტემპერატურა 70℃, NaOH დოზა 3.2გრ, მონოქლოროძმარმჟავას დოზა 3.0გ და მაქსიმალური ჩანაცვლების ხარისხი 0.53.

3.2 კარბოქსიმეთილაციის მოდიფიკაციის ოპტიმალური ტექნოლოგიური პირობებია: ეთერიზაციის დრო 100 წთ, ეთერიზაციის ტემპერატურა 70℃, NaOH დოზა 3,2გრ, მონოქლორძმარმჟავას დოზა 3,0გ, მაქსიმალური ჩანაცვლების ხარისხი 0,53.