Celuloza CMC și caracterizarea structurii sale

Folosind celuloza de paie ca materie primă, aceasta a fost modificată prin eterificare. Prin testul unic factor și rotație s-au determinat condițiile optime de preparare a carboximetil celulozei: timpul de eterificare 100min, temperatura de eterificare 70℃, doza de NaOH 3,2 g și doza de acid monocloroacetic 3,0 g, substituția maximă Gradul este de 0,53.

Cuvinte cheie: CMCceluloză; acid monocloracetic; eterificare; modificare

Carboximetil celulozăeste cel mai produs și vândut eter de celuloză din lume. Este utilizat pe scară largă în detergenți, alimente, pastă de dinți, textile, imprimare și vopsire, fabricarea hârtiei, petrol, minerit, medicină, ceramică, componente electronice, cauciuc, vopsele, pesticide, cosmetice, piele, materiale plastice și foraj petrolier etc., cunoscut ca „glutamat monosodic industrial”. Carboximetil celuloza este un derivat de eter de celuloză solubil în apă obținut prin modificarea chimică a celulozei naturale. Celuloza, principala materie primă pentru producerea carboximetil celulozei, este una dintre cele mai abundente resurse regenerabile naturale de pe pământ, cu o producție anuală de sute de miliarde de tone. țara mea este o țară agricolă mare și una dintre țările cu cele mai abundente resurse de paie. Paiele au fost întotdeauna unul dintre principalii combustibili vii pentru locuitorii din mediul rural. Aceste resurse nu au fost dezvoltate rațional de mult timp, iar mai puțin de 2% din deșeurile agricole și forestiere precum paiele sunt folosite în lume în fiecare an. Orezul este principala cultură economică din provincia Heilongjiang, cu o suprafață de plantare de peste 2 milioane hm2, o producție anuală de 14 milioane de tone de orez și 11 milioane de tone de paie. Fermierii le ard, în general, direct pe câmp ca deșeuri, ceea ce nu este doar o uriașă risipă de resurse naturale, ci provoacă și o poluare gravă a mediului. Prin urmare, realizarea utilizării resurselor de paie este necesitatea strategiei de dezvoltare durabilă a agriculturii.

1. Materiale și metode experimentale

1.1 Materiale și echipamente experimentale

Celuloză de paie, autoprodusă în laborator; JJ～1 mixer electric tip, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory; SHZW2C tip RS—O pompă de vid, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pH-metru pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A încălzire electrică temperatura constantă cuptor de uscare, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; Microscop electronic cu scanare HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments; etanol; hidroxid de sodiu; acid cloracetic etc. (reactivii de mai sus sunt puri din punct de vedere analitic).

1.2 Metoda experimentală

1.2.1 Prepararea carboximetil celulozei

(1) Metoda de preparare a carboximetil celulozei: Se cântăresc 2 g de celuloză într-un balon cu trei gâturi, se adaugă 2,8 g NaOH, 20 ml soluție de etanol 75% și se înmoaie în alcali într-o baie de apă la 25°C.°C timp de 80 min. Se amestecă cu un mixer pentru a se combina bine. În timpul acestui proces, celuloza reacţionează cu soluţia alcalină pentru a forma celuloză alcalină. În etapa de eterificare, adăugați 10 ml de soluție de etanol 75% și 3 g de acid cloracetic în balonul cu trei gâturi reacționat mai sus, ridicați temperatura la 65-70°C.° C. şi reacţionează timp de 60 de minute. Adăugați alcalii pentru a doua oară, apoi adăugați 0,6 g NaOH în balonul de reacție de mai sus pentru a menține temperatura la 70°C.°C, iar timpul de reacție este de 40 min pentru a obține Na brut—CMC (carboximetilceluloză de sodiu).

Neutralizare și spălare: adăugați 1 moL·L-1 acid clorhidric și neutralizează reacția la temperatura camerei până la pH=7~8. Apoi se spală de două ori cu etanol 50%, apoi se spală o dată cu etanol 95%, se filtrează cu aspirație și se usucă la 80-90°C timp de 2 ore.

(2) Determinarea gradului de înlocuire a probei: metoda de determinare a contorului de aciditate: Se cântăresc 0,2 g (cu o precizie de 0,1 mg) de probă de Na-CMC purificată și uscată, se dizolvă în 80 ml apă distilată, se agită electromagnetic timp de 10 minute și se ajustează cu acid sau alcali Soluția a adus pH-ul soluției la 8. Apoi titrați soluția de testat cu soluție standard de acid sulfuric într-un pahar echipat cu un electrod pH-metru și observați indicația pH-metrului în timp ce titrați până când pH-ul este 3,74. Notați volumul soluției standard de acid sulfuric utilizat.

1.2.2 Metoda de testare cu un singur factor

(1) Efectul cantității de alcali asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei: efectuați alcalinizarea la 25℃, imersie alcalină timp de 80 de minute, concentrația în soluție de etanol este de 75%, controlați cantitatea de reactiv acid monocloroacetic 3g, temperatura de eterificare este de 65 ~ 70°C, timpul de eterificare a fost de 100 minute, iar cantitatea de hidroxid de sodiu a fost schimbată pentru test.

(2) Efectul concentrației soluției de etanol asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei: cantitatea de alcali fix este de 3,2 g, imersie alcalină într-o baie de apă cu temperatură constantă la 25°C timp de 80 min, concentrația soluției de etanol este de 75%, cantitatea de reactiv acid monocloroacetic este controlată la 3 g, eterificare Temperatura este 65-70°C, timpul de eterificare este de 100 min, iar concentrația soluției de etanol este modificată pentru experiment.

(3) Efectul cantității de acid monocloroacetic asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei: fixați la 25°C pentru alcalinizare, înmuiați în alcali timp de 80 de minute, adăugați 3,2 g de hidroxid de sodiu pentru a face concentrația soluției de etanol 75%, eter Temperatura este de 65 ~ 70°C, timpul de eterificare este de 100 min, iar cantitatea de acid monocloroacetic este modificată pentru experiment.

(4) Efectul temperaturii de eterificare asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei: fixați la 25°C pentru alcalinizare, înmuiați în alcali timp de 80 de minute, adăugați 3,2 g de hidroxid de sodiu pentru a face concentrația soluției de etanol de 75%, temperatura de eterificare Temperatura este de 65 ~ 70℃, timpul de eterificare este de 100 min, iar experimentul se realizează prin modificarea dozei de acid monocloroacetic.

(5) Efectul timpului de eterificare asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei: fixat la 25°C pentru alcalinizare, s-au adăugat 3,2 g de hidroxid de sodiu și s-a înmuiat în alcali timp de 80 de minute pentru a face concentrația soluției de etanol de 75% și a controlat monoclorul Doza de reactiv de acid acetic este de 3 g, temperatura de eterificare este de 65 ~ 70°C, iar timpul de eterificare este modificat pentru experiment.

1.2.3 Planul de testare și optimizarea carboximetil celulozei

Pe baza experimentului cu un singur factor, a fost proiectat un experiment combinat de rotație ortogonală cu regresie pătratică cu patru factori și cinci niveluri. Cei patru factori sunt timpul de eterificare, temperatura de eterificare, cantitatea de NaOH și cantitatea de acid monocloroacetic. Prelucrarea datelor utilizează software statistic SAS8.2 pentru prelucrarea datelor, care relevă relația dintre fiecare factor de influență și gradul de substituție al carboximetil celulozei. lege interioară.

1.2.4 Metoda de analiză SEM

Proba de pulbere uscată a fost fixată pe treapta de probă cu adeziv conductiv, iar după pulverizarea cu aur în vid, a fost observată și fotografiată la un microscop electronic cu scanare Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Rezultate și analiză

2.1 Efectul unui singur factor asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei

2.1.1 Efectul cantității de alcali asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei

Când s-a adăugat NaOH3,2g la 2g celuloză, gradul de substituție al produsului a fost cel mai ridicat. Cantitatea de NaOH este redusă, ceea ce nu este suficient pentru a forma neutralizarea celulozei alcaline și a agentului de eterificare, iar produsul are un grad mic de substituție și vâscozitate scăzută. Dimpotrivă, dacă cantitatea de NaOH este prea mare, reacțiile secundare din timpul hidrolizei acidului cloracetic vor crește, va crește consumul de agent de eterificare și va scădea și vâscozitatea produsului.

2.1.2 Efectul concentrației soluției de etanol asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei

O parte din apa din soluția de etanol există în mediul de reacție în afara celulozei, iar cealaltă parte există în celuloză. Dacă conținutul de apă este prea mare, CMC se va umfla în apă pentru a forma jeleu în timpul eterificării, rezultând o reacție foarte neuniformă; dacă conținutul de apă este prea mic, reacția va fi dificil de derulat din cauza lipsei mediului de reacție. În general, 80% etanol este solventul cel mai potrivit.

2.1.3 Efectul dozei de acid monocloroacetic asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei

Cantitatea de acid monocloracetic și hidroxid de sodiu este teoretic de 1:2, dar pentru a muta reacția în direcția de generare a CMC, asigurați-vă că există o bază liberă adecvată în sistemul de reacție, astfel încât carboximetilarea să poată avea loc fără probleme. Din acest motiv, se adoptă metoda excesului de alcali, adică raportul molar al substanțelor acide și alcaline este de 1:2,2.

2.1.4 Efectul temperaturii de eterificare asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei

Cu cât temperatura de eterificare este mai mare, cu atât viteza de reacție este mai rapidă, dar și reacțiile secundare sunt accelerate. Din perspectiva echilibrului chimic, creșterea temperaturii este nefavorabilă formării CMC, dar dacă temperatura este prea scăzută, viteza de reacție este lentă și rata de utilizare a agentului de eterificare este scăzută. Se poate observa că temperatura optimă pentru eterificare este de 70°C°C.

2.1.5 Efectul timpului de eterificare asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei

Odată cu creșterea timpului de eterificare, gradul de substituție al CMC crește, iar viteza de reacție este accelerată, dar după un anumit timp, reacțiile secundare cresc și gradul de substituție scade. Când timpul de eterificare este de 100 min, gradul de substituție este maxim.

2.2 Rezultatele testelor ortogonale și analiza grupărilor carboximetil

Din tabelul de analiză a varianței se poate observa că, în elementul principal, cei patru factori ai timpului de eterificare, temperatura de eterificare, cantitatea de NaOH și cantitatea de acid monocloroacetic au un impact foarte semnificativ asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei (p. <0,01). Dintre elementele de interacțiune, elementele de interacțiune a timpului de eterificare și cantitatea de acid monocloroacetic și elementele de interacțiune a temperaturii de eterificare și cantitatea de acid monocloroacetic au avut un efect foarte semnificativ asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei (p<0,01). Ordinea influenței diferiților factori asupra gradului de substituție a carboximetil celulozei a fost: temperatura de eterificare>cantitatea de acid monocloroacetic>timpul de eterificare>cantitatea de NaOH.

După analiza rezultatelor testului de proiectare a combinației de rotație ortogonală cu regresie pătratică, se poate determina că condițiile optime de proces pentru modificarea carboximetilării sunt: ​​timpul de eterificare 100min, temperatura de eterificare 70℃, doza de NaOH 3,2 g și acid monocloroacetic Doza este de 3,0 g, iar gradul maxim de substituție este de 0,53.

2.3 Caracterizarea performanțelor microscopice

Morfologia de suprafață a celulozei, carboximetil celulozei și particulelor de carboximetil celuloză reticulate a fost studiată prin microscopie electronică cu scanare. Celuloza crește sub formă de bandă cu o suprafață netedă; marginea carboximetil celulozei este mai aspră decât cea a celulozei extrase, iar structura cavității crește și volumul devine mai mare. Acest lucru se datorează faptului că structura fasciculului devine mai mare din cauza umflării carboximetil celulozei.

3. Concluzie

3.1 Prepararea celulozei carboximetil eterificate Ordinea importanței celor patru factori care afectează gradul de substituție a celulozei este: temperatura de eterificare > dozarea acidului monocloroacetic > timpul de eterificare > dozarea NaOH. Condițiile optime ale procesului de modificare a carboximetilării sunt timpul de eterificare 100 min, temperatura de eterificare 70℃, doza de NaOH 3,2 g, doza de acid monocloroacetic 3,0 g și gradul maxim de substituție 0,53.

3.2 Condițiile tehnologice optime de modificare a carboximetilării sunt: ​​timpul de eterificare 100min, temperatura de eterificare 70℃, doza de NaOH 3,2 g, doză de acid monocloroacetic 3,0 g, grad de substituție maxim 0,53.