Synteza i właściwości reologiczne eteru hydroksyetylocelulozy

W obecności samodzielnie wykonanego katalizatora alkalicznego, przemysłowego hydroksyetylu celulozę poddano reakcji z chlorkiem N-(2,3-epoksypropylo)trimetyloamoniowym (GTA) odczynnikiem kationizującym w celu otrzymania czwartorzędowego amonu o wysokim podstawieniu metodą suchą Eter hydroksyetylocelulozy typu solnego (HEC). Wpływ stosunku GTA do hydroksyetylocelulozy (HEC), stosunku NaOH do HEC, temperatury reakcji i czasu reakcji na wydajność reakcji zbadano za pomocą jednolitego planu eksperymentalnego, a zoptymalizowane warunki procesu uzyskano metodą Monte Symulacja Carla. Wydajność reakcji kationowego odczynnika eteryfikacji osiąga 95% poprzez weryfikację eksperymentalną. Jednocześnie omówiono jego właściwości reologiczne. Wyniki wykazały, że rozwiązanieHEC wykazywał cechy płynu nienewtonowskiego, a jego lepkość pozorna zwiększała się wraz ze wzrostem stężenia masowego roztworu; w pewnym stężeniu roztworu soli lepkość pozornaHEC zmniejsza się wraz ze wzrostem stężenia dodanej soli. Przy tej samej szybkości ścinania lepkość pozornaHEC w roztworze CaCl2 jest wyższa niżHEC w układzie roztworu NaCl.

Słowa kluczowe:Hydroksyetyleter celulozy; proces suchy; właściwości reologiczne

Celuloza charakteryzuje się bogatymi źródłami, biodegradowalnością, biokompatybilnością i łatwą derywatyzacją i jest gorącym punktem badawczym w wielu dziedzinach. Celuloza kationowa jest jednym z najważniejszych przedstawicieli pochodnych celulozy. Wśród kationowych polimerów do środków ochrony osobistej zarejestrowanych przez CTFA Stowarzyszenia Przemysłu Zapachowego na pierwszym miejscu znajduje się ich zużycie. Może być szeroko stosowany w dodatkach kondycjonujących do odżywek do włosów, zmiękczaczach, inhibitorach hydratacji łupków wiertniczych i środkach przeciwzakrzepowych krwi i innych dziedzinach.

Obecnie metoda wytwarzania czwartorzędowego amoniowego kationowego eteru hydroksyetylocelulozy jest metodą rozpuszczalnikową, która wymaga dużej ilości drogich rozpuszczalników organicznych, jest kosztowna, niebezpieczna i zanieczyszcza środowisko. W porównaniu z metodą rozpuszczalnikową, metoda sucha ma wyjątkowe zalety w postaci prostego procesu, wysokiej wydajności reakcji i mniejszego zanieczyszczenia środowiska. W pracy przeprowadzono syntezę kationowego eteru celulozy metodą suchą i zbadano jego zachowanie reologiczne.

1. Część eksperymentalna

1.1 Materiały i odczynniki

Hydroksyetyloceluloza (produkt przemysłowy HEC, stopień podstawienia molekularnego DS wynosi 1,8 ~ 2,0); odczynnik kationizujący Chlorek N-(2,3-epoksypropylo)trimetyloamonu (GTA), przygotowany z chlorku epoksydu. Propan i trimetyloamina są wytwarzane samodzielnie pod pewnymi warunkami; samodzielnie wykonany katalizator alkaliczny; etanol i lodowaty kwas octowy są analitycznie czyste; NaCl, KCl, CaCl2 i AlCl3 są chemicznie czystymi odczynnikami.

1.2 Wytwarzanie czwartorzędowej amoniowej celulozy kationowej

Dodać 5 g hydroksyetylocelulozy i odpowiednią ilość domowego katalizatora alkalicznego do cylindrycznego stalowego cylindra wyposażonego w mieszadło i mieszać przez 20 minut w temperaturze pokojowej; następnie dodać pewną ilość GTA, kontynuować mieszanie przez 30 minut w temperaturze pokojowej i reagować w określonej temperaturze i czasie, w wyniku czego otrzymano stały surowy produkt, zasadniczo na jego bazie. Surowy produkt moczy się w roztworze etanolu zawierającym odpowiednią ilość kwasu octowego, filtruje, przemywa i suszy próżniowo, otrzymując sproszkowaną czwartorzędową amoniową celulozę kationową.

1.3 Oznaczanie udziału masowego azotu w czwartorzędowej amoniowej kationowej hydroksyetylocelulozie

Udział masowy azotu w próbkach oznaczono metodą Kjeldahla.

2. Projektowanie eksperymentów i optymalizacja procesu syntezy na sucho

Do zaprojektowania doświadczenia zastosowano jednolitą metodę projektowania i zbadano wpływ stosunku GTA do hydroksyetylocelulozy (HEC), stosunku NaOH do HEC, temperatury i czasu reakcji na efektywność reakcji.

3. Badania właściwości reologicznych

3.1 Wpływ stężenia i prędkości obrotowej

Uwzględnienie wpływu szybkości ścinania na lepkość pozornąHEC przykładowo przy różnych stężeniach Ds=0,11 można zauważyć, że wraz ze stopniowym wzrostem szybkości ścinania od 0,05 do 0,5 s-1, lepkość pozornaHEC roztwór maleje, szczególnie przy 0,05 ~ 0,5 s-1 lepkość pozorna gwałtownie spadła z 160 MPa·do 40 MPa·s, przerzedzanie przy ścinaniu, wskazując, żeHEC roztwór wodny wykazywał nienewtonowskie właściwości reologiczne. Efektem przyłożonego naprężenia ścinającego jest zmniejszenie siły oddziaływania pomiędzy cząstkami fazy rozproszonej. W pewnych warunkach im większa siła, tym większa lepkość pozorna.

Można to również zobaczyć na podstawie lepkości pozornych 3% i 4%HEC roztwory wodne, których stężenie masowe wynosi odpowiednio 3% i 4% przy różnych szybkościach ścinania. Lepkość pozorna roztworu wskazuje, że jego zdolność do zwiększania lepkości wzrasta wraz ze stężeniem. Powodem jest to, że wraz ze wzrostem stężenia w roztworze następuje wzajemne odpychanie się cząsteczek głównego łańcuchaHEC i pomiędzy łańcuchami molekularnymi wzrasta, a lepkość pozorna wzrasta.

3.2 Wpływ różnych stężeń dodanej soli

StężenieHEC ustalono na 3% i zbadano wpływ dodatku soli NaCl na właściwości lepkościowe roztworu przy różnych szybkościach ścinania.

Z wyników wynika, że ​​lepkość pozorna maleje wraz ze wzrostem stężenia dodanej soli, co wskazuje na oczywiste zjawisko polielektrolitu. Dzieje się tak, ponieważ część Na+ w roztworze soli jest związana z anionemHEC łańcuch boczny. Im większe stężenie roztworu soli, tym większy stopień zobojętnienia lub ekranowania polionu przez przeciwjon i zmniejszenie odpychania elektrostatycznego, co skutkuje zmniejszeniem gęstości ładunku polionu. , łańcuch polimeru kurczy się i zwija, a pozorne stężenie maleje.

3.3 Wpływ różnych dodanych soli na

Można to zobaczyć na podstawie wpływu dwóch różnych dodanych soli, NaCl i CaCl2, na lepkość pozornąHEC roztworu, w którym lepkość pozorna maleje po dodaniu soli i przy tej samej szybkości ścinania lepkość pozornaHEC roztwór w układzie roztworu CaCl2 Lepkość pozorna jest znacznie wyższa niż lepkośćHEC roztwór w układzie roztworów NaCl. Powodem jest to, że sól wapnia jest jonem dwuwartościowym i łatwiej jest wiązać się z Cl- w bocznym łańcuchu polielektrolitu. Połączenie czwartorzędowej grupy amoniowej naHEC z Cl- jest zmniejszona, a ekranowanie jest mniejsze, a gęstość ładunku łańcucha polimeru jest większa, co powoduje, że odpychanie elektrostatyczne na łańcuchu polimeru jest większe, a łańcuch polimeru jest rozciągnięty, więc lepkość pozorna jest wyższa.

4. Wniosek

Przygotowanie na sucho wysokopodstawionej celulozy kationowej jest idealną metodą przygotowania, charakteryzującą się prostą obsługą, wysoką wydajnością reakcji i mniejszym zanieczyszczeniem, a także pozwalającą uniknąć wysokiego zużycia energii, zanieczyszczenia środowiska i toksyczności spowodowanej użyciem rozpuszczalników.

Roztwór kationowego eteru celulozy ma cechy płynu nienewtonowskiego i ma właściwości rozrzedzania pod wpływem ścinania; wraz ze wzrostem stężenia masowego roztworu wzrasta jego lepkość pozorna; w określonym stężeniu roztworu soli,HEC lepkość pozorna wzrasta wraz ze wzrostem i spadkiem. Przy tej samej szybkości ścinania lepkość pozornaHEC w roztworze CaCl2 jest wyższa niżHEC w układzie roztworu NaCl.