Reakcja eteryfikacji na eterze celulozy

Aktywność eteryfikacji celulozy badano odpowiednio za pomocą maszyny do ugniatania i reaktora mieszającego, a hydroksyetylocelulozę i karboksymetylocelulozę przygotowano odpowiednio za pomocą chloroetanolu i kwasu monochlorooctowego. Wyniki wykazały, że reakcję eteryfikacji celulozy prowadzono w reaktorze z mieszaniem w warunkach mieszania o dużej intensywności. Celuloza ma dobrą reaktywność eteryfikacji, która jest lepsza niż metoda ugniatacza pod względem poprawy wydajności eteryfikacji i zwiększenia przepuszczalności światła produktu w roztworze wodnym.) Dlatego poprawa intensywności mieszania procesu reakcji jest lepszym sposobem na opracowanie substytucyjnej jednorodnej eteryfikacji celulozy produkty.

Słowa kluczowe:reakcja eteryfikacji; Celuloza;Hydroksyetyloceluloza; Karboksymetyloceluloza

Przy opracowywaniu rafinowanych produktów z eteru celulozy bawełnianej szeroko stosuje się metodę rozpuszczalnikową, a jako sprzęt reakcyjny stosuje się maszynę do ugniatania. Jednakże celuloza bawełniana składa się głównie z obszarów krystalicznych, w których cząsteczki są uporządkowane i ściśle ułożone. Gdy jako sprzęt reakcyjny używana jest maszyna do ugniatania, ramię ugniatające maszyny do ugniatania jest powolne podczas reakcji, a opór przedostawania się środka eteryzującego do różnych warstw celulozy jest duży, a prędkość jest mała, co skutkuje długim czasem reakcji i dużym udziałem boków reakcje i nierównomierny rozkład grup podstawnikowych w łańcuchach molekularnych celulozy.

Zwykle reakcja eteryfikacji celulozy jest reakcją niejednorodną na zewnątrz i wewnątrz. Jeśli nie ma zewnętrznego działania dynamicznego, środek eteryfikujący ma trudności z przedostaniem się do strefy krystalizacji celulozy. A poprzez wstępną obróbkę rafinowanej bawełny (np. stosowanie metod fizycznych w celu zwiększenia powierzchni rafinowanej bawełny), jednocześnie z reaktorem mieszającym do sprzętu reakcyjnego, stosując reakcję eteryfikacji z szybkim mieszaniem, zgodnie z rozumowaniem celuloza może silnie pęcznieć, pęczniejąc obszaru amorficznego celulozy i obszaru krystalizacji jest zwykle spójny, poprawia aktywność reakcji. Jednorodny rozkład eterowych podstawników celulozy w heterogenicznym układzie reakcji eteryfikacji można osiągnąć poprzez zwiększenie zewnętrznej mocy mieszania. Zatem przyszłym kierunkiem rozwoju naszego kraju będzie opracowywanie wysokiej jakości produktów do eteryfikacji celulozy z kotłem reakcyjnym z mieszaniem jako sprzętem reakcyjnym.

1. Część eksperymentalna

1.1 Surowiec z rafinowanej celulozy bawełnianej do testu

W zależności od różnych urządzeń reakcyjnych zastosowanych w eksperymencie, metody wstępnej obróbki celulozy bawełnianej są różne. Gdy jako urządzenie reakcyjne stosuje się ugniatarkę, metody obróbki wstępnej również są inne. Gdy jako urządzenie reakcyjne stosuje się ugniatarkę, krystaliczność użytej rafinowanej celulozy bawełnianej wynosi 43,9%, a średnia długość rafinowanej celulozy bawełnianej wynosi 15 ~ 20 mm. Krystaliczność rafinowanej celulozy bawełnianej wynosi 32,3%, a średnia długość rafinowanej celulozy bawełnianej jest mniejsza niż 1 mm, gdy jako sprzęt reakcyjny stosuje się reaktor mieszający.

1.2 Rozwój karboksymetylocelulozy i hydroksyetylocelulozy

Przygotowanie karboksymetylocelulozy i hydroksyetylocelulozy można przeprowadzić stosując ugniatarkę 2L jako sprzęt reakcyjny (średnia prędkość podczas reakcji wynosi 50 obr./min) i reaktor mieszający 2L jako sprzęt reakcyjny (średnia prędkość podczas reakcji wynosi 500 obr./min).

Podczas reakcji wszystkie surowce pochodzą ze ścisłej reakcji ilościowej. Produkt otrzymany w wyniku reakcji przemywa się 95% etanolem, a następnie suszy pod próżnią przez 24 godziny pod podciśnieniem 60°C i 0,005 mpa. Wilgotność otrzymanej próbki wynosi w=2,7%±0,3%, a próbkę produktu do analizy przemywa się do zawartości popiołu w < 0,2%.

Etapy przygotowania ugniatarki jako sprzętu reakcyjnego są następujące:

Reakcja eteryfikacji → mycie produktu → suszenie → starta granulacja → pakowanie odbywa się w ugniatarce.

Etapy przygotowania reaktora z mieszaniem jako sprzętu reakcyjnego są następujące:

Reakcja eteryfikacji → mycie produktu → suszenie i granulacja → pakowanie odbywa się w reaktorze z mieszaniem.

Można zauważyć, że ugniatarka jest używana jako sprzęt reakcyjny do przygotowania cech charakteryzujących się niską wydajnością reakcji, suszenia i mielenia granulacji krok po kroku, a jakość produktu zostanie znacznie obniżona w procesie mielenia.

Charakterystyka procesu przygotowania z reaktorem z mieszaniem jako sprzętem reakcyjnym jest następująca: wysoka wydajność reakcji, granulacja produktu nie przyjmuje tradycyjnej metody procesu granulacji polegającej na suszeniu i mieleniu, a proces suszenia i granulacji prowadzi się w tym samym czasie niedosuszone produkty po umyciu, a jakość produktu pozostaje niezmieniona w procesie suszenia i granulacji.

1.3 Analiza dyfrakcji promieni rentgenowskich

Analizę dyfrakcji rentgenowskiej przeprowadzono za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego Rigaku D/max-3A, monochromatora grafitowego, kąt Θ wynosił 8° ~ 30°, promień CuKα, ciśnienie w rurze i przepływ w rurze wynosiły 30 kV i 30 mA.

1.4 Analiza widma w podczerwieni

Do analizy widma w podczerwieni wykorzystano spektrometr podczerwieni Spectrum-2000PE FTIR. Wszystkie próbki do analizy widma w podczerwieni miały masę 0,0020 g. Próbki te zmieszano odpowiednio z 0,1600 g KBr, a następnie sprasowano (do grubości < 0,8 mm) i poddano analizie.

1.5 Wykrywanie transmitancji

Transmitancję wykrywano za pomocą spektrofotometru 721. Roztwór CMC w=w1% umieszczono na 1 cm szalce kolorymetrycznej przy długości fali 590 nm.

1.6 Stopień wykrycia substytucji

Stopień podstawienia HEC hydroksyetylocelulozy mierzono standardową metodą analizy chemicznej. Zasada jest taka, że ​​HEC można rozłożyć jodowodorem HI w temperaturze 123 ℃, a stopień podstawienia HEC można poznać mierząc powstałe rozłożone substancje: etylen i jodek etylenu. Stopień podstawienia hydroksymetylocelulozy można także badać standardowymi metodami analizy chemicznej.

2. Wyniki i dyskusja

Stosowane są tutaj dwa rodzaje kotłów reakcyjnych: jeden to ugniatarka jako sprzęt reakcyjny, drugi to kocioł reakcyjny z mieszaniem jako sprzęt reakcyjny, w heterogenicznym układzie reakcyjnym, w warunkach alkalicznych i układzie rozpuszczalników w wodzie alkoholowej, badana jest reakcja eteryfikacji rafinowanej celulozy bawełnianej. Wśród nich cechy technologiczne ugniatarki jako urządzenia reakcyjnego to: W reakcji prędkość ramienia ugniatającego jest mała, czas reakcji jest długi, odsetek reakcji ubocznych jest wysoki, stopień wykorzystania środka eteryfikującego jest niski, a jednorodność rozkładu grup podstawieniowych w reakcji eteryzacji jest słaba. Proces badawczy można ograniczyć jedynie do stosunkowo wąskich warunków reakcji. Ponadto możliwość regulacji i kontrolowania głównych warunków reakcji (takich jak stosunek kąpieli, stężenie alkaliów, prędkość ramienia ugniatającego maszyny do ugniatania) jest bardzo słaba. Trudno jest uzyskać w przybliżeniu jednorodność reakcji eteryfikacji oraz dogłębnie zbadać przenikanie masy i penetrację procesu reakcji eteryfikacji. Cechy procesu reaktora mieszającego jako sprzętu reakcyjnego to: duża prędkość mieszania w reakcji, duża szybkość reakcji, wysoki stopień wykorzystania środka eteryzującego, równomierny rozkład podstawników eteryzujących, regulowane i kontrolowane główne warunki reakcji.

Karboksymetylocelulozę CMC przygotowano odpowiednio za pomocą sprzętu do reakcji ugniatania i sprzętu do reakcji w reaktorze z mieszaniem. Gdy jako sprzęt reakcyjny stosowano ugniatarkę, intensywność mieszania była niska, a średnia prędkość obrotowa wynosiła 50 obr./min. Gdy jako sprzęt reakcyjny stosowano reaktor z mieszaniem, intensywność mieszania była wysoka, a średnia prędkość obrotowa wynosiła 500 obr./min. Gdy stosunek molowy kwasu monochlorooctowego do monosacharydu celulozy wynosił 1:5:1, czas reakcji wynosił 1,5 godziny w temperaturze 68°C. Przepuszczalność światła CMC otrzymanego za pomocą maszyny do ugniatania wyniosła 98,02%, a skuteczność eteryfikacji 72% ze względu na dobrą przepuszczalność CM w środku eteryzującym w postaci kwasu chlorooctowego. Gdy jako sprzęt reakcyjny zastosowano reaktor z mieszaniem, przepuszczalność środka eteryfikującego była lepsza, transmitancja CMC wynosiła 99,56%, a wydajność reakcji eteryzacji wzrosła do 81%.

Hydroksyetylocelulozę HEC przygotowano za pomocą ugniatarki i reaktora mieszającego jako sprzętu reakcyjnego. Gdy jako sprzęt reakcyjny stosowano ugniatarkę, wydajność reakcji środka eteryzującego wynosiła 47%, a rozpuszczalność w wodzie była słaba, gdy przepuszczalność środka eteryzującego w postaci alkoholu chloroetylowego była słaba, a stosunek molowy chloroetanolu do monosacharydu celulozy wynosił 3:1 w temperaturze 60°C przez 4 godziny . Dopiero gdy stosunek molowy chloroetanolu do monosacharydów celulozy wynosi 6:1, można utworzyć produkty o dobrej rozpuszczalności w wodzie. Gdy jako sprzęt reakcyjny zastosowano reaktor z mieszaniem, przepuszczalność środka eteryfikacji alkoholu chloroetylowego poprawiła się w temperaturze 68°C przez 4 godziny. Gdy stosunek molowy chloroetanolu do monosacharydu celulozy wynosił 3:1, powstały HEC miał lepszą rozpuszczalność w wodzie, a wydajność reakcji eteryfikacji wzrosła do 66%.

Wydajność reakcji i szybkość reakcji środka eteryzującego, kwasu chlorooctowego, są znacznie wyższe niż w przypadku chloroetanolu, a reaktor mieszający jako sprzęt do reakcji eteryzacji ma oczywistą przewagę nad ugniatarką, co znacznie poprawia wydajność reakcji eteryzacji. Wysoka przepuszczalność CMC wskazuje również pośrednio, że reaktor z mieszaniem jako sprzęt do reakcji eteryzacji może poprawić jednorodność reakcji eteryzacji. Dzieje się tak, ponieważ łańcuch celulozy ma trzy grupy hydroksylowe w każdym pierścieniu grupy glukozy i tylko w stanie silnie spęcznionym lub rozpuszczonym są dostępne wszystkie pary hydroksylowe celulozy cząsteczek środka eteryfikującego. Reakcja eteryfikacji celulozy jest zwykle reakcją heterogeniczną od zewnątrz do wewnątrz, zwłaszcza w obszarze krystalicznym celulozy. Gdy struktura krystaliczna celulozy pozostaje nienaruszona bez wpływu siły zewnętrznej, środek eteryfikujący ma trudności z przedostaniem się do struktury krystalicznej, co wpływa na jednorodność heterogenicznej reakcji. Dlatego też, poprzez wstępną obróbkę rafinowanej bawełny (taką jak zwiększenie powierzchni właściwej rafinowanej bawełny), można poprawić reaktywność rafinowanej bawełny. W przypadku dużej proporcji kąpieli (etanol/celuloza lub alkohol izopropylowy/celuloza i reakcja szybkiego mieszania, zgodnie z rozumowaniem, kolejność strefy krystalizacji celulozy zostanie zmniejszona, w tym czasie celuloza może silnie pęcznieć, tak że pęcznienie strefy celulozy amorficznej i krystalicznej jest zwykle spójna, zatem reaktywność obszaru amorficznego i obszaru krystalicznego jest podobna.

Za pomocą analizy widma w podczerwieni i analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich proces reakcji eteryfikacji celulozy można lepiej zrozumieć, gdy jako sprzęt do reakcji eteryfikacji stosuje się reaktor z mieszaniem.

Tutaj analizowano widma w podczerwieni i widma dyfrakcji promieni rentgenowskich. Reakcję eteryfikacji CMC i HEC prowadzono w reaktorze z mieszaniem w warunkach reakcji opisanych powyżej.

Analiza widma w podczerwieni pokazuje, że reakcja eterowania CMC i HEC zmienia się regularnie wraz z wydłużaniem czasu reakcji, stopień podstawienia jest różny.

Analiza dyfraktogramu rentgenowskiego wykazała, że ​​krystaliczność CMC i HEC dąży do zera wraz z wydłużaniem się czasu reakcji, co wskazuje, że proces dekrystalizacji zasadniczo przebiegał na etapie alkalizacji i etapie ogrzewania przed reakcją eteryfikacji rafinowanej bawełny . Zatem reaktywność eteryfikacji karboksymetylu i hydroksyetylu rafinowanej bawełny nie jest już ograniczona głównie przez krystaliczność rafinowanej bawełny. Jest to związane z przepuszczalnością czynnika eteryfikującego. Można wykazać, że reakcję eteryfikacji CMC i HEC prowadzi się w reaktorze z mieszaniem jako sprzętem reakcyjnym. Mieszanie z dużą prędkością korzystnie wpływa na proces dekrystalizacji rafinowanej bawełny na etapie alkalizacji i na etapie ogrzewania przed reakcją eteryfikacji, a także ułatwia przenikanie środka eteryfikacji do celulozy, co poprawia wydajność reakcji eteryfikacji i jednorodność podstawienia .

Podsumowując, w niniejszym badaniu podkreślono wpływ mocy mieszania i innych czynników na wydajność reakcji podczas procesu reakcji. Dlatego też propozycja tego badania opiera się na następujących przesłankach: W heterogenicznym układzie reakcji eterowania zastosowanie dużego współczynnika kąpieli i dużej intensywności mieszania itp. jest podstawowymi warunkami otrzymania w przybliżeniu jednorodnego eteru celulozy z grupą podstawnikową dystrybucja; W specyficznym heterogenicznym układzie reakcji eterowania można wytworzyć wysokowydajny eter celulozy z w przybliżeniu równomiernym rozkładem podstawników, stosując reaktor mieszający jako sprzęt reakcyjny, co pokazuje, że wodny roztwór eteru celulozy ma wysoką przepuszczalność, co ma ogromne znaczenie dla rozszerzenia właściwości i funkcje eteru celulozy. Ugniatarka służy jako sprzęt reakcyjny do badania reakcji eteryfikacji rafinowanej bawełny. Ze względu na małą intensywność mieszania nie sprzyja penetracji środka eteryfikującego i ma pewne wady, takie jak duży udział reakcji ubocznych i słaba równomierność rozkładu podstawników eteryfikacji.