CMC celulóza a jej štruktúra

Využitím slamenej celulózy ako suroviny bola modifikovaná éterifikáciou. Jednofaktorovým a rotačným testom boli určené optimálne podmienky na prípravu karboxymetylcelulózy: čas éterifikácie 100 min, teplota éterifikácie 70℃, dávka NaOH 3,2 g a kyselina monochlóroctová dávka 3,0 g, maximálna substitúcia Stupeň je 0,53.

Kľúčové slová: CMCcelulóza; kyselina monochlóroctová; éterifikácia; modifikácia

Karboxymetylcelulózaje najviac vyrábaným a predávaným éterom celulózy na svete. Je široko používaný v čistiacich prostriedkoch, potravinách, zubných pastách, textilnom, tlačiarenskom a farbiacom priemysle, výrobe papiera, rope, baníctve, medicíne, keramike, elektronických súčiastkach, gume, farbách, pesticídoch, kozmetike, koži, plastoch a vŕtaní ropy atď. ako „priemyselný glutaman sodný“. Karboxymetylcelulóza je vo vode rozpustný éterový derivát celulózy získaný chemickou modifikáciou prírodnej celulózy. Celulóza, hlavná surovina na výrobu karboxymetylcelulózy, je jedným z najrozšírenejších prírodných obnoviteľných zdrojov na zemi s ročnou produkciou stoviek miliárd ton. moja krajina je veľká poľnohospodárska krajina a jedna z krajín s najbohatšími zdrojmi slamy. Slama bola vždy jedným z hlavných živých palív pre obyvateľov vidieka. Tieto zdroje neboli dlhodobo racionálne rozvíjané a vo svete sa ročne spotrebujú menej ako 2 % odpadu z poľnohospodárstva a lesníctva, ako je slama. Ryža je hlavnou ekonomickou plodinou v provincii Heilongjiang s rozlohou viac ako 2 milióny hm2, ročnou produkciou 14 miliónov ton ryže a 11 miliónov ton slamy. Poľnohospodári ich vo všeobecnosti spaľujú priamo na poli ako odpad, čo predstavuje nielen obrovské plytvanie prírodnými zdrojmi, ale spôsobuje aj vážne znečistenie životného prostredia. Preto je realizácia využívania zdrojov slamy potrebou stratégie trvalo udržateľného rozvoja poľnohospodárstva.

1. Experimentálne materiály a metódy

1.1 Experimentálne materiály a vybavenie

Slamená celulóza, vlastnoručne vyrobená v laboratóriu; JJ～1 typ elektrického mixéra, továreň na experimentálne nástroje Jintan Guowang; SHZW2C typ RS—Vákuová pumpa, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pH meter pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A elektrická vyhrievacia sušiaca pec s konštantnou teplotou, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; HITACHI-S ~ 3400N rastrovací elektrónový mikroskop, Hitachi Instruments; etanol; hydroxid sodný; kyselina chlóroctová atď. (vyššie uvedené činidlá sú analyticky čisté).

1.2 Experimentálna metóda

1.2.1 Príprava karboxymetylcelulózy

(1) Spôsob prípravy karboxymetylcelulózy: Navážte 2 g celulózy do trojhrdlovej banky, pridajte 2,8 g NaOH, 20 ml 75 % roztoku etanolu a namočte do alkálie vo vodnom kúpeli s konštantnou teplotou pri 25 °C.°C počas 80 min. Miešajte mixérom, aby sa dobre spojil. Počas tohto procesu celulóza reaguje s alkalickým roztokom za vzniku alkalickej celulózy. V éterifikačnom štádiu pridajte 10 ml 75 % roztoku etanolu a 3 g kyseliny chlóroctovej do trojhrdlovej banky zreagovanej vyššie, zvýšte teplotu na 65-70 °C.° C. a nechá sa reagovať 60 minút. Pridajte alkáliu druhýkrát, potom pridajte 0,6 g NaOH do vyššie uvedenej reakčnej banky, aby sa teplota udržala na 70 °C.°C a reakčný čas je 40 minút na získanie surového Na—CMC (sodná soľ karboxymetylcelulózy).

Neutralizácia a premytie: pridajte 1 mol·L-1 kyselinu chlorovodíkovú a neutralizujte reakciu pri teplote miestnosti, kým pH = 7~8. Potom premyte dvakrát 50 % etanolom, potom raz premyte 95 % etanolom, prefiltrujte odsatím a vysušte pri 80-90 °C°C počas 2 hodín.

(2) Stanovenie stupňa substitúcie vzorky: metóda stanovenia acidometra: Odvážte 0,2 g (s presnosťou na 0,1 mg) vyčistenej a vysušenej vzorky Na-CMC, rozpustite ju v 80 ml destilovanej vody, elektromagneticky miešajte 10 minút a upravte pH roztoku sa upravilo na 8. Potom sa skúšobný roztok titruje štandardným roztokom kyseliny sírovej v kadičke vybavenej elektródou pH metra a pri titrácii sa pozoruje indikácia pH metra. 3,74. Zapíšte si objem použitého štandardného roztoku kyseliny sírovej.

1.2.2 Jednofaktorová skúšobná metóda

(1) Vplyv množstva zásady na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy: vykonajte alkalizáciu pri 25℃, alkalické ponorenie na 80 minút, koncentrácia v etanolovom roztoku je 75 %, kontrolujte množstvo činidla kyseliny monochlóroctovej 3 g, teplota éterifikácie je 65 ~ 70°C, čas éterifikácie bol 100 minút a množstvo hydroxidu sodného sa pre test zmenilo.

(2) Vplyv koncentrácie etanolového roztoku na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy: množstvo fixovanej alkálie je 3,2 g, alkalické ponorenie do vodného kúpeľa s konštantnou teplotou pri 25°C počas 80 minút, koncentrácia etanolového roztoku je 75 %, množstvo činidla kyseliny monochlóroctovej sa kontroluje na 3 g, éterifikácia Teplota je 65-70 °C.°C, čas éterifikácie je 100 minút a koncentrácia etanolového roztoku sa pre experiment zmení.

(3) Vplyv množstva kyseliny monochlóroctovej na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy: fixovať na 25°C na alkalizáciu, namočte do alkálie na 80 minút, pridajte 3,2 g hydroxidu sodného, ​​aby bola koncentrácia etanolového roztoku 75 %, éter Teplota je 65~70°C, čas éterifikácie je 100 minút a množstvo kyseliny monochlóroctovej sa pre experiment zmení.

(4) Vplyv teploty éterifikácie na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy: fixácia na 25°C na alkalizáciu, máčať v alkálii na 80 minút, pridať 3,2 g hydroxidu sodného, ​​aby bola koncentrácia etanolového roztoku 75 %, teplota éterifikácie Teplota je 65~70℃čas éterifikácie je 100 minút a experiment sa uskutočňuje so zmenou dávky kyseliny monochlóroctovej.

(5) Vplyv času éterifikácie na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy: stanovený na 25°C na alkalizáciu sa pridalo 3,2 g hydroxidu sodného a namočilo sa v alkálii na 80 minút, aby sa dosiahla koncentrácia etanolového roztoku 75%, a kontrolovaný monochlór Dávkovanie činidla kyseliny octovej je 3 g, teplota éterifikácie je 65~70°C a čas éterifikácie sa pre experiment zmení.

1.2.3 Plán testovania a optimalizácia karboxymetylcelulózy

Na základe jednofaktorového experimentu bol navrhnutý kombinovaný experiment kvadratickej regresie ortogonálnej rotácie so štyrmi faktormi a piatimi úrovňami. Štyri faktory sú čas éterifikácie, teplota éterifikácie, množstvo NaOH a množstvo kyseliny monochlóroctovej. Na spracovanie údajov sa využíva štatistický softvér SAS8.2 na spracovanie údajov, ktorý odhaľuje vzťah medzi každým ovplyvňujúcim faktorom a stupňom substitúcie karboxymetylcelulózy. vnútorný zákon.

1.2.4 Metóda analýzy SEM

Vysušená prášková vzorka bola fixovaná na vzorkovníku vodivým lepidlom a po vákuovom nástreku zlata bola pozorovaná a fotografovaná pod Hitachi-S-3400N Hitachi skenovacím elektrónovým mikroskopom.

2. Výsledky a analýza

2.1 Vplyv jedného faktora na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy

2.1.1 Vplyv množstva zásady na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy

Keď sa k 2 g celulózy pridal NaOH 3,2 g, stupeň substitúcie produktu bol najvyšší. Množstvo NaOH sa zníži, čo nestačí na vytvorenie neutralizácie alkalickej celulózy a eterifikačného činidla a produkt má malý stupeň substitúcie a nízku viskozitu. Naopak, ak je množstvo NaOH príliš veľké, zvýšia sa vedľajšie reakcie pri hydrolýze kyseliny chlóroctovej, zvýši sa spotreba éterifikačného činidla a zníži sa aj viskozita produktu.

2.1.2 Vplyv koncentrácie etanolového roztoku na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy

Časť vody v etanolovom roztoku existuje v reakčnom médiu mimo celulózy a druhá časť existuje v celulóze. Ak je obsah vody príliš veľký, CMC počas éterifikácie napučí vo vode a vytvorí želé, čo vedie k veľmi nerovnomernej reakcii; ak je obsah vody príliš malý, bude ťažké pokračovať v reakcii kvôli nedostatku reakčného média. Vo všeobecnosti je najvhodnejším rozpúšťadlom 80 % etanol.

2.1.3 Vplyv dávkovania kyseliny monochlóroctovej na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy

Množstvo kyseliny monochlóroctovej a hydroxidu sodného je teoreticky 1:2, ale aby sa reakcia posunula smerom k tvorbe CMC, zaistite, aby v reakčnom systéme bola vhodná voľná báza, aby karboxymetylácia mohla prebiehať hladko. Z tohto dôvodu sa používa metóda prebytku alkálií, to znamená, že molárny pomer kyslých a alkalických látok je 1: 2,2.

2.1.4 Vplyv teploty éterifikácie na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy

Čím vyššia je teplota éterifikácie, tým rýchlejšia je reakčná rýchlosť, ale zrýchľujú sa aj vedľajšie reakcie. Z hľadiska chemickej rovnováhy je stúpajúca teplota nepriaznivá pre tvorbu CMC, ale ak je teplota príliš nízka, rýchlosť reakcie je pomalá a rýchlosť využitia éterifikačného činidla je nízka. Je vidieť, že optimálna teplota pre éterifikáciu je 70 °C°C.

2.1.5 Vplyv času éterifikácie na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy

S predlžujúcim sa časom éterifikácie sa zvyšuje stupeň substitúcie CMC a zrýchľuje sa reakčná rýchlosť, ale po určitom čase sa vedľajšie reakcie zvyšujú a stupeň substitúcie klesá. Keď je čas éterifikácie 100 minút, stupeň substitúcie je maximálny.

2.2 Výsledky ortogonálneho testu a analýza karboxymetylových skupín

Z tabuľky analýzy rozptylu je možné vidieť, že v primárnej položke majú štyri faktory čas éterifikácie, teplota éterifikácie, množstvo NaOH a množstvo kyseliny monochlóroctovej veľmi významný vplyv na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy (p <0,01). Spomedzi interakčných položiek mali veľmi významný vplyv na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy interakčné položky čas éterifikácie a množstvo kyseliny monochlóroctovej a položky interakcie teplota eterifikácie a množstvo kyseliny monochlóroctovej (p<0,01). Poradie vplyvu rôznych faktorov na stupeň substitúcie karboxymetylcelulózy bolo: teplota éterifikácie>množstvo kyseliny monochlóroctovej>čas éterifikácie>množstvo NaOH.

Po analýze výsledkov testu kombinovanej kvadratickej regresnej ortogonálnej rotácie je možné určiť, že optimálne podmienky procesu pre modifikáciu karboxymetylácie sú: čas éterifikácie 100 minút, teplota éterifikácie 70℃, dávka NaOH 3,2 g a kyselina monochlóroctová Dávka je 3,0 g a maximálny stupeň substitúcie je 0,53.

2.3 Mikroskopická charakteristika výkonu

Povrchová morfológia celulózy, karboxymetylcelulózy a zosieťovaných karboxymetylcelulózových častíc bola študovaná skenovacou elektrónovou mikroskopiou. Celulóza rastie v pásovom tvare s hladkým povrchom; okraj karboxymetylcelulózy je hrubší ako okraj extrahovanej celulózy a štruktúra dutiny sa zväčšuje a objem sa zväčšuje. Je to preto, že štruktúra zväzku sa zväčšuje v dôsledku napučiavania karboxymetylcelulózy.

3. Záver

3.1 Príprava karboxymetyléterifikovanej celulózy Poradie dôležitosti štyroch faktorov ovplyvňujúcich stupeň substitúcie celulózy je: teplota éterifikácie > dávka kyseliny monochlóroctovej > čas éterifikácie > dávka NaOH. Optimálne podmienky procesu modifikácie karboxymetylácie sú čas éterifikácie 100 minút, teplota éterifikácie 70℃, dávka NaOH 3,2 g, dávka kyseliny monochlóroctovej 3,0 g a maximálny stupeň substitúcie 0,53.

3.2 Optimálne technologické podmienky modifikácie karboxymetylácie sú: čas éterifikácie 100min, teplota éterifikácie 70℃, dávka NaOH 3,2 g, dávka kyseliny monochlóroctovej 3,0 g, maximálny stupeň substitúcie 0,53.