Synthese en reologische eigenschappen van hydroxyethylcellulose-ether

In aanwezigheid van een zelfgemaakte alkalikatalysator, industriële hydroxyethyl Cellulose werd gereageerd met N-(2,3-epoxypropyl)trimethylammoniumchloride (GTA) kationisatiereagens om quaternair ammonium met hoge substitutie te bereiden via de droge methode. Zouttype Hydroxyethylcellulose-ether (HEC). De effecten van de verhouding GTA tot hydroxyethylcellulose (HEC), de verhouding van NaOH tot HEC, de reactietemperatuur en de reactietijd op de reactie-efficiëntie werden onderzocht met een uniform experimenteel plan, en de geoptimaliseerde procesomstandigheden werden verkregen via Monte Carlo-simulatie. En de reactie-efficiëntie van het kationische veretheringsreagens bereikt 95% door experimentele verificatie. Tegelijkertijd werden de reologische eigenschappen ervan besproken. Uit de resultaten bleek dat de oplossing vanHEC toonde de kenmerken van niet-Newtoniaanse vloeistof, en de schijnbare viscositeit ervan nam toe met de toename van de massaconcentratie van de oplossing; in een bepaalde concentratie zoutoplossing, de schijnbare viscositeit vanHEC nam af met de toename van de toegevoegde zoutconcentratie. Bij dezelfde afschuifsnelheid zal de schijnbare viscositeit vanHEC in het CaCl2-oplossingssysteem is hoger dan dat vanHEC in NaCl-oplossingssysteem.

Trefwoorden:Hydroxyethylcellulose-ether; droog proces; reologische eigenschappen

Cellulose heeft de kenmerken van rijke bronnen, biologische afbreekbaarheid, biocompatibiliteit en gemakkelijke derivatisering, en is een hotspot voor onderzoek op veel gebieden. Kationische cellulose is een van de belangrijkste vertegenwoordigers van cellulosederivaten. Van de kationische polymeren voor persoonlijke beschermingsproducten die zijn geregistreerd door CTFA van de Fragrance Industry Association, is het verbruik ervan het eerste. Het kan op grote schaal worden gebruikt in conditioneringsadditieven voor haarconditioners, weekmakers, hydratatieremmers voor boorschalie en bloedantistollingsmiddelen en andere gebieden.

Momenteel is de bereidingsmethode van quaternaire ammoniumkationische hydroxyethylcellulose-ether een oplosmiddelmethode, die een grote hoeveelheid dure organische oplosmiddelen vereist, kostbaar en onveilig is en het milieu vervuilt. Vergeleken met de oplosmiddelmethode heeft de droge methode de opmerkelijke voordelen van een eenvoudig proces, hoge reactie-efficiëntie en minder milieuvervuiling. In dit artikel werd kationische cellulose-ether gesynthetiseerd via de droge methode en werd het reologische gedrag ervan bestudeerd.

1. Experimenteel deel

1.1 Materialen en reagentia

Hydroxyethylcellulose (HEC-industrieel product, de moleculaire substitutiegraad DS is 1,8 ~ 2,0); kationisatiereagens N-(2,3-epoxypropyl)trimethylammoniumchloride (GTA), bereid uit epoxychloride. Propaan en trimethylamine worden onder bepaalde omstandigheden zelfgemaakt; zelfgemaakte alkalikatalysator; ethanol en ijsazijn zijn analytisch zuiver; NaCl, KCl, CaCl2 en AlCl3 zijn chemisch zuivere reagentia.

1.2 Bereiding van kationische quaternaire ammoniumcellulose

Voeg 5 g hydroxyethylcellulose en een geschikte hoeveelheid zelfgemaakte alkalikatalysator toe aan een cilindrische stalen cilinder uitgerust met een roerder, en roer gedurende 20 minuten bij kamertemperatuur; voeg vervolgens een bepaalde hoeveelheid GTA toe, blijf 30 minuten roeren bij kamertemperatuur en laat reageren bij een bepaalde temperatuur en tijd. Er werd een vast ruw product verkregen, hoofdzakelijk gebaseerd op. Het ruwe product wordt gedrenkt in een ethanoloplossing die een geschikte hoeveelheid azijnzuur bevat, gefiltreerd, gewassen en vacuümgedroogd om poedervormige quaternaire ammonium-kationische cellulose te verkrijgen.

1.3 Bepaling van de stikstofmassafractie van quaternair ammonium kationisch hydroxyethylcellulose

De massafractie stikstof in de monsters werd bepaald volgens de Kjeldahl-methode.

2. Experimenteel ontwerp en optimalisatie van het droge syntheseproces

Bij het ontwerpen van het experiment is gebruik gemaakt van de uniforme ontwerpmethode en zijn de effecten van de verhouding GTA tot hydroxyethylcellulose (HEC), de verhouding van NaOH tot HEC, de reactietemperatuur en de reactietijd op de reactie-efficiëntie onderzocht.

3. Onderzoek naar reologische eigenschappen

3.1 Invloed van concentratie en rotatiesnelheid

Neem het effect van de afschuifsnelheid op de schijnbare viscositeit vanHEC bij verschillende concentraties Ds=0,11 kan men bijvoorbeeld zien dat naarmate de afschuifsnelheid geleidelijk toeneemt van 0,05 naar 0,5 s-1, de schijnbare viscositeit vanHEC oplossing neemt af, vooral bij 0,05 ~0,5s-1, de schijnbare viscositeit daalde scherp vanaf 160 MPa·s tot 40 MPa·s, afschuifverdunning, wat aangeeft dat deHEC waterige oplossing vertoonde niet-Newtoniaanse reologische eigenschappen. Het effect van de uitgeoefende schuifspanning is het verminderen van de interactiekracht tussen de deeltjes van de gedispergeerde fase. Onder bepaalde omstandigheden geldt: hoe groter de kracht, hoe groter de schijnbare viscositeit.

Dit blijkt ook uit de schijnbare viscositeiten van 3% en 4%HEC waterige oplossingen waarbij de massaconcentratie respectievelijk 3% en 4% bedraagt ​​bij verschillende afschuifsnelheden. De schijnbare viscositeit van de oplossing geeft aan dat het viscositeitsverhogende vermogen ervan toeneemt met de concentratie. De reden is dat naarmate de concentratie in het oplossingssysteem toeneemt, de onderlinge afstoting tussen de moleculen van de hoofdketen toeneemtHEC en tussen de molecuulketens neemt toe, en de schijnbare viscositeit neemt toe.

3.2 Effect van verschillende concentraties toegevoegd zout

De concentratie vanHEC werd vastgesteld op 3%, en het effect van het toevoegen van zout NaCl op de viscositeitseigenschappen van de oplossing werd onderzocht bij verschillende afschuifsnelheden.

Uit de resultaten blijkt dat de schijnbare viscositeit afneemt met de toename van de toegevoegde zoutconcentratie, wat een duidelijk fenomeen van polyelektrolyt laat zien. Dit komt doordat een deel van het Na+ in de zoutoplossing gebonden is aan het anion van de zoutoplossingHEC zijketen. Hoe groter de concentratie van de zoutoplossing, hoe groter de mate van neutralisatie of afscherming van het polyion door het tegenion, en de vermindering van de elektrostatische afstoting, resulterend in een afname van de ladingsdichtheid van het polyion. , de polymeerketen krimpt en krult, en de schijnbare concentratie neemt af.

3.3 Effect van verschillende toegevoegde zouten op

Dit blijkt uit de invloed van twee verschillende toegevoegde zouten, Nacl en CaCl2, op de schijnbare viscositeit van het productHEC oplossing waarbij de schijnbare viscositeit afneemt met de toevoeging van het toegevoegde zout, en bij dezelfde afschuifsnelheid de schijnbare viscositeit van hetHEC oplossing in het CaCl2-oplossingssysteem De schijnbare viscositeit is aanzienlijk hoger dan die vanHEC oplossing in NaCl-oplossingssysteem. De reden is dat calciumzout een tweewaardig ion is en dat het gemakkelijker is om te binden aan de Cl- van de polyelektrolytzijketen. De combinatie van de quaternaire ammoniumgroep aanHEC met Cl- wordt verminderd, en de afscherming is minder, en de ladingsdichtheid van de polymeerketen is hoger, wat resulteert in De elektrostatische afstoting op de polymeerketen is groter en de polymeerketen wordt uitgerekt, dus de schijnbare viscositeit is hoger.

4. Conclusie

Droge bereiding van sterk gesubstitueerde kationische cellulose is een ideale bereidingsmethode met eenvoudige bediening, hoge reactie-efficiëntie en minder vervuiling, en kan een hoog energieverbruik, milieuvervuiling en toxiciteit veroorzaakt door het gebruik van oplosmiddelen voorkomen.

De oplossing van kationische cellulose-ether vertoont de kenmerken van een niet-Newtonse vloeistof en heeft de kenmerken van afschuifverdunning; naarmate de massaconcentratie van de oplossing toeneemt, neemt de schijnbare viscositeit ervan toe; in een bepaalde concentratie zoutoplossing,HEC de schijnbare viscositeit neemt toe met toename en afname. Bij dezelfde afschuifsnelheid zal de schijnbare viscositeit vanHEC in het CaCl2-oplossingssysteem is hoger dan dat vanHEC in NaCl-oplossingssysteem.