Целлюлоза КМЦ и характеристика ее структуры

Используя в качестве сырья соломенную целлюлозу, ее модифицировали путем этерификации. С помощью однофакторного и ротационного теста были определены оптимальные условия для получения карбоксиметилцеллюлозы: время этерификации 100 минут, температура этерификации 70 градусов.℃, дозировка NaOH 3,2 г и дозировка монохлоруксусной кислоты 3,0 г, максимальная степень замещения 0,53.

Ключевые слова: КМЦцеллюлоза; монохлоруксусная кислота; этерификация; модификация

Карбоксиметилцеллюлозаявляется наиболее производимым и продаваемым эфиром целлюлозы в мире. Он широко используется в моющих средствах, продуктах питания, зубной пасте, текстиле, печати и окраске, производстве бумаги, нефти, горнодобывающей промышленности, медицине, керамике, электронных компонентах, резине, красках, пестицидах, косметике, коже, пластмассах, бурении нефтяных скважин и т. д., известном как «промышленный глутамат натрия». Карбоксиметилцеллюлоза – водорастворимое производное эфира целлюлозы, полученное путем химической модификации природной целлюлозы. Целлюлоза, основное сырье для производства карбоксиметилцеллюлозы, является одним из наиболее распространенных природных возобновляемых ресурсов на Земле, годовой объем производства которой составляет сотни миллиардов тонн. Моя страна — крупная сельскохозяйственная страна и одна из стран с наиболее богатыми ресурсами соломы. Солома всегда была одним из основных видов топлива для сельских жителей. Эти ресурсы долгое время рационально не осваивались, и ежегодно в мире используется менее 2% отходов сельского и лесного хозяйства, таких как солома. Рис является основной экономической культурой провинции Хэйлунцзян, его посевная площадь составляет более 2 миллионов гектаров, годовой объем производства составляет 14 миллионов тонн риса и 11 миллионов тонн соломы. Фермеры обычно сжигают их прямо в поле как отходы, что не только является огромной тратой природных ресурсов, но и серьезно загрязняет окружающую среду. Таким образом, реализация использования ресурсов соломы является необходимостью стратегии устойчивого развития сельского хозяйства.

1. Экспериментальные материалы и методы.

1.1 Экспериментальные материалы и оборудование

Соломенная целлюлоза, самостоятельно изготовленная в лаборатории; Джей-Джей～Электрический миксер 1 типа, завод экспериментальных приборов Цзиньтань Гован; ШЗВ2С тип РС—Вакуумный насос, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pH-метр pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A электрическая сушильная печь с постоянной температурой, компания Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; Сканирующий электронный микроскоп HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments; этанол; гидроксид натрия; хлоруксусная кислота и др. (указанные реактивы имеют д.а.ч.).

1.2 Экспериментальный метод

1.2.1 Получение карбоксиметилцеллюлозы

(1) Способ получения карбоксиметилцеллюлозы: в трехгорлую колбу взвешивают 2 г целлюлозы, добавляют 2,8 г NaOH, 20 мл 75%-ного раствора этанола и вымачивают в щелочи на водяной бане с постоянной температурой 25°С.°С в течение 80 мин. Хорошо перемешайте миксером. Во время этого процесса целлюлоза реагирует с щелочным раствором с образованием щелочной целлюлозы. На стадии этерификации в прореагировавшую выше трехгорлую колбу добавляют 10 мл 75%-ного раствора этанола и 3 г хлоруксусной кислоты, повышают температуру до 65-70°С.° C. и реагируют в течение 60 минут. Добавьте щелочь во второй раз, затем добавьте 0,6 г NaOH в указанную выше реакционную колбу, чтобы поддерживать температуру на уровне 70°С.°C, а время реакции составляет 40 минут для получения сырого Na.—КМЦ (карбоксиметилцеллюлоза натрия).

Нейтрализация и промывка: добавить 1 моль.·L-1 соляной кислоты и нейтрализуют реакцию при комнатной температуре до pH=7~8. Затем дважды промыть 50% этанолом, затем один раз промыть 95% этанолом, отфильтровать отсасыванием и высушить при 80-90°С.°С в течение 2 часов.

(2) Определение степени замещения образца: метод определения кислотности с помощью измерителя: взвесьте 0,2 г (с точностью до 0,1 мг) очищенного и высушенного образца Na-CMC, растворите его в 80 мл дистиллированной воды, электромагнитно перемешайте в течение 10 минут и отрегулируйте. кислотой или щелочью. Раствор довел pH раствора до 8. Затем титруют исследуемый раствор стандартным раствором серной кислоты в стакане, снабженном электродом-рН-метром, и наблюдают за показаниями рН-метра при титровании до тех пор, пока рН не станет равным. 3.74. Запишите объем использованного стандартного раствора серной кислоты.

1.2.2 Метод однофакторного испытания

(1) Влияние количества щелочи на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы: провести подщелачивание при 25℃, погружение в щелочь на 80 минут, концентрация в растворе этанола 75%, контроль количества реагента монохлоруксусной кислоты 3 г, температура этерификации 65 ~ 70.°C, время этерификации составляло 100 минут, а количество гидроксида натрия для теста меняли.

(2) Влияние концентрации раствора этанола на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы: количество фиксированной щелочи - 3,2 г, щелочное погружение на водяную баню постоянной температуры при 25°С.°С - 80мин, концентрация раствора этанола - 75%, количество реагента монохлоруксусной кислоты - 3г, этерификация - температура 65-70С.°С, время этерификации составляет 100 мин, для эксперимента меняют концентрацию раствора этанола.

(3) Влияние количества монохлоруксусной кислоты на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы: фиксировать на уровне 25.°C для подщелачивания, замочите в щелочи на 80 минут, добавьте 3,2 г гидроксида натрия, чтобы концентрация раствора этанола составила 75%, температура эфира 65 ~ 70.°C, время этерификации составляет 100 мин, а количество монохлоруксусной кислоты меняют для эксперимента.

(4) Влияние температуры этерификации на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы: зафиксировать на уровне 25.°C для подщелачивания, замочите в щелочи на 80 минут, добавьте 3,2 г гидроксида натрия, чтобы концентрация раствора этанола составила 75%, температура этерификации, температура 65 ~ 70.℃, время этерификации 100 мин, эксперимент проводят путем изменения дозировки монохлоруксусной кислоты.

(5) Влияние времени этерификации на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы: зафиксировано на уровне 25.°C для подщелачивания, добавлено 3,2 г гидроксида натрия и выдержано в щелочи в течение 80 минут, чтобы сделать концентрацию раствора этанола 75%, и контролируемый монохлор. Дозировка реагента уксусной кислоты составляет 3 г, температура этерификации 65 ~ 70.°C, а время этерификации изменено для эксперимента.

1.2.3 План испытаний и оптимизация карбоксиметилцеллюлозы

На основе однофакторного эксперимента был разработан комбинированный эксперимент с квадратичной регрессией и ортогональным вращением с четырьмя факторами и пятью уровнями. Четырьмя факторами являются время этерификации, температура этерификации, количество NaOH и количество монохлоруксусной кислоты. При обработке данных используется статистическое программное обеспечение SAS8.2 для обработки данных, которое выявляет связь между каждым влияющим фактором и степенью замещения карбоксиметилцеллюлозы. внутренний закон.

1.2.4 Метод анализа СЭМ

Высушенный образец порошка фиксировали на предметном столике с помощью проводящего клея и после вакуумного напыления золота наблюдали и фотографировали под сканирующим электронным микроскопом Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Результаты и анализ

2.1 Влияние отдельного фактора на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы

2.1.1 Влияние количества щелочи на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы

При добавлении 3,2 г NaOH к 2 г целлюлозы степень замещения продукта была самой высокой. Количество NaOH снижается, чего недостаточно для образования нейтрализатора щелочной целлюлозы и этерифицирующего агента, а продукт имеет малую степень замещения и низкую вязкость. Напротив, если количество NaOH будет слишком большим, то побочные реакции при гидролизе хлоруксусной кислоты возрастут, увеличится расход этерифицирующего агента, а также уменьшится вязкость продукта.

2.1.2 Влияние концентрации раствора этанола на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы

Часть воды в растворе этанола находится в реакционной среде вне целлюлозы, а другая часть находится в целлюлозе. Если содержание воды слишком велико, КМЦ будет набухать в воде с образованием желе во время этерификации, что приведет к очень неравномерной реакции; если содержание воды слишком мало, реакция будет затруднена из-за отсутствия реакционной среды. Обычно наиболее подходящим растворителем является 80% этанол.

2.1.3 Влияние дозировки монохлоруксусной кислоты на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы

Количество монохлоруксусной кислоты и гидроксида натрия теоретически составляет 1:2, но чтобы сдвинуть реакцию в направлении образования КМЦ, убедитесь, что в реакционной системе есть подходящее свободное основание, чтобы карбоксиметилирование могло протекать гладко. По этой причине принят метод избытка щелочи, то есть мольное соотношение кислотных и щелочных веществ составляет 1:2,2.

2.1.4 Влияние температуры этерификации на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы

Чем выше температура этерификации, тем выше скорость реакции, но и побочные реакции также ускоряются. С точки зрения химического баланса повышение температуры неблагоприятно для образования КМЦ, но если температура слишком низкая, скорость реакции будет низкой, а степень использования этерифицирующего агента будет низкой. Видно, что оптимальная температура этерификации составляет 70°С.°C.

2.1.5 Влияние времени этерификации на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы

С увеличением времени этерификации степень замещения КМЦ увеличивается, а скорость реакции ускоряется, но через определенное время побочные реакции увеличиваются и степень замещения снижается. При времени этерификации 100 мин степень замещения максимальна.

2.2 Результаты ортогонального теста и анализ карбоксиметильных групп

Из таблицы дисперсионного анализа видно, что в первичном пункте четыре фактора: время этерификации, температура этерификации, количество NaOH и количество монохлоруксусной кислоты оказывают весьма существенное влияние на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы (p <0,01). Среди элементов взаимодействия элементы взаимодействия времени этерификации и количества монохлоруксусной кислоты, а также элементы взаимодействия температуры этерификации и количества монохлоруксусной кислоты оказали очень существенное влияние на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы (p<0,01). Порядок влияния различных факторов на степень замещения карбоксиметилцеллюлозы был следующий: температура этерификации>количество монохлоруксусной кислоты>время этерификации>количество NaOH.

После анализа результатов испытаний конструкции комбинации ортогонального вращения квадратичной регрессии можно определить, что оптимальными условиями процесса модификации карбоксиметилирования являются: время этерификации 100 мин, температура этерификации 70°С.℃, дозировка NaOH 3,2 г и монохлоруксусная кислота. Дозировка составляет 3,0 г, максимальная степень замещения - 0,53.

2.3 Микроскопическая характеристика характеристик

Морфологию поверхности частиц целлюлозы, карбоксиметилцеллюлозы и сшитой карбоксиметилцеллюлозы изучали методом сканирующей электронной микроскопии. Целлюлоза растет в форме полосок с гладкой поверхностью; край карбоксиметилцеллюлозы более шероховатый, чем у экстрагированной целлюлозы, а структура полости увеличивается и объем становится больше. Это связано с тем, что структура пучка становится больше из-за набухания карбоксиметилцеллюлозы.

3. Заключение

3.1 Получение карбоксиметилэтерифицированной целлюлозы. Порядок важности четырех факторов, влияющих на степень замещения целлюлозы, следующий: температура этерификации > дозировка монохлоруксусной кислоты > время этерификации > дозировка NaOH. Оптимальные условия процесса модификации карбоксиметилирования: время этерификации 100 мин, температура этерификации 70°С.℃, дозировка NaOH 3,2 г, дозировка монохлоруксусной кислоты 3,0 г и максимальная степень замещения 0,53.

3.2 Оптимальные технологические условия модификации карбоксиметилирования: время этерификации 100 мин, температура этерификации 70°С.℃, дозировка NaOH 3,2 г, дозировка монохлоруксусной кислоты 3,0 г, максимальная степень замещения 0,53.