Celuloza CMC in karakterizacija njene strukture

Z uporabo slamnate celuloze kot surovine je bila modificirana z eterifikacijo. Z enofaktorskim in rotacijskim testom smo določili optimalne pogoje za pripravo karboksimetil celuloze: čas eterifikacije 100 min, temperatura eterifikacije 70℃, odmerek NaOH 3,2 g in odmerek monokloroocetne kisline 3,0 g, največja stopnja zamenjave je 0,53.

Ključne besede: CMCceluloza; monokloroocetna kislina; eterifikacija; sprememba

Karboksimetil celulozaje najbolj proizvajan in prodajan celulozni eter na svetu. Široko se uporablja v detergentih, hrani, zobni pasti, tekstilu, tiskanju in barvanju, izdelavi papirja, nafti, rudarstvu, medicini, keramiki, elektronskih komponentah, gumi, barvah, pesticidih, kozmetiki, usnju, plastiki in pridobivanju nafte itd. kot "industrijski mononatrijev glutamat". Karboksimetil celuloza je v vodi topen derivat celuloznega etra, pridobljen s kemično modifikacijo naravne celuloze. Celuloza, glavna surovina za proizvodnjo karboksimetil celuloze, je eden najbolj bogatih naravnih obnovljivih virov na zemlji, z letno proizvodnjo na stotine milijard ton. moja država je velika kmetijska država in ena od držav z najbolj bogatimi viri slame. Slama je že od nekdaj eno glavnih življenjskih goriv za prebivalce podeželja. Ti viri že dolgo niso bili racionalno razviti, v svetu pa se vsako leto porabi manj kot 2 % kmetijskih in gozdarskih odpadkov, kot je slama. Riž je glavna gospodarska poljščina v provinci Heilongjiang z več kot 2 milijoni hm2 površine za sajenje, letno proizvodnjo 14 milijonov ton riža in 11 milijonov ton slame. Kmetje jih praviloma sežigajo neposredno na polju kot odpadke, kar ni le velika izguba naravnih virov, temveč tudi resno onesnažuje okolje. Zato je uresničevanje izrabe virov slame potreba strategije trajnostnega razvoja kmetijstva.

1. Eksperimentalni materiali in metode

1.1 Eksperimentalni materiali in oprema

Slamnata celuloza, lastna izdelava v laboratoriju; JJ～1 tip električnega mešalnika, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory; SHZW2C tipa RS—Vakuumska črpalka, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; pHS-3C pH meter, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A električna grelna sušilna pečica s konstantno temperaturo, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; vrstični elektronski mikroskop HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments; etanol; natrijev hidroksid; kloroocetna kislina itd. (zgornji reagenti so analitsko čisti).

1.2 Eksperimentalna metoda

1.2.1 Priprava karboksimetil celuloze

(1) Metoda priprave karboksimetil celuloze: v bučko s tremi grli odtehtamo 2 g celuloze, dodamo 2,8 g NaOH, 20 ml 75 % raztopine etanola in namočimo v alkaliji v vodni kopeli s konstantno temperaturo pri 25 °C.°C 80 min. Premešamo z mešalnikom, da se dobro poveže. Med tem procesom celuloza reagira z alkalno raztopino, da nastane alkalna celuloza. V fazi eterifikacije dodamo 10 mL 75 % raztopine etanola in 3 g kloroocetne kisline v trivratno bučko, ki je reagirala zgoraj, temperaturo dvignemo na 65-70 °C.° C. in reagirati 60 minut. Drugič dodajte alkalije, nato dodajte 0,6 g NaOH v zgornjo reakcijsko bučko, da ohranite temperaturo pri 70 °C.°C, reakcijski čas pa je 40 minut, da dobimo surov Na—CMC (natrijeva karboksimetilceluloza).

Nevtralizacija in pranje: dodajte 1moL·L-1 klorovodikove kisline in nevtralizirajte reakcijo pri sobni temperaturi do pH=7~8. Nato dvakrat sperite s 50% etanolom, nato sperite enkrat s 95% etanolom, odsesajte in posušite pri 80-90°C.°C 2 uri.

(2) Določitev stopnje substitucije vzorca: metoda določanja z merilnikom kislosti: stehtajte 0,2 g (natančno na 0,1 mg) očiščenega in posušenega vzorca Na-CMC, ga raztopite v 80 ml destilirane vode, elektromagnetno mešajte 10 minut in prilagodite s kislino ali alkalijo. Raztopina je pH raztopine povišala na 8. Nato titrirajte preskusno raztopino s standardno raztopino žveplove kisline v čaši, opremljeni z elektrodo za pH-meter, in med titracijo opazujte kazanje pH-metra, dokler pH ni 3.74. Zabeležite količino uporabljene standardne raztopine žveplove kisline.

1.2.2 Preskusna metoda z enim faktorjem

(1) Vpliv količine alkalije na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze: izvedite alkalizacijo pri 25℃, potopitev v alkalijo za 80 minut, koncentracija v raztopini etanola je 75%, kontrolirajte količino reagenta monokloroocetne kisline 3 g, temperatura eterifikacije je 65 ~70°C, čas eterifikacije je bil 100 minut, količina natrijevega hidroksida pa je bila spremenjena za preskus.

(2) Učinek koncentracije raztopine etanola na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze: količina fiksne alkalije je 3,2 g, alkalna potopitev v vodno kopel s konstantno temperaturo pri 25°C 80 min, koncentracija raztopine etanola je 75 %, količina reagenta monokloroocetne kisline je kontrolirana pri 3 g, eterifikacija Temperatura je 65-70 °C.°C, čas eterifikacije je 100 min, koncentracija raztopine etanola pa se spremeni za poskus.

(3) Učinek količine monokloroocetne kisline na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze: določite na 25°C za alkalizacijo, namočite v alkaliji 80 minut, dodajte 3,2 g natrijevega hidroksida, da bo koncentracija raztopine etanola 75%, eter Temperatura je 65 ~ 70°C, čas eterifikacije je 100 min, količina monokloroocetne kisline pa se spremeni za poskus.

(4) Vpliv temperature eterifikacije na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze: določite na 25°C za alkalizacijo, namočite v alkaliji 80 minut, dodajte 3,2 g natrijevega hidroksida, da koncentracija raztopine etanola doseže 75 %, temperatura eterifikacije Temperatura je 65 ~ 70 ° C.℃, čas eterifikacije je 100 min, poskus pa izvedemo s spreminjanjem odmerka monokloroocetne kisline.

(5) Vpliv časa eterifikacije na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze: določeno na 25°C za alkalizacijo dodamo 3,2 g natrijevega hidroksida in namakamo v alkaliji 80 minut, da dosežemo koncentracijo raztopine etanola 75 % in kontroliranega monoklora. Odmerek reagenta ocetne kisline je 3 g, temperatura eterifikacije je 65 ~ 70 °C.°C, in čas eterifikacije se spremeni za poskus.

1.2.3 Načrt testiranja in optimizacija karboksimetil celuloze

Na podlagi enofaktorskega eksperimenta je bil zasnovan kombinirani eksperiment kvadratne regresije z ortogonalno rotacijo s štirimi faktorji in petimi nivoji. Štirje dejavniki so čas eterifikacije, temperatura eterifikacije, količina NaOH in količina monokloroocetne kisline. Pri obdelavi podatkov se uporablja statistična programska oprema SAS8.2 za obdelavo podatkov, ki razkrije razmerje med posameznim vplivnim faktorjem in stopnjo substitucije karboksimetil celuloze. notranji zakon.

1.2.4 Metoda analize SEM

Vzorec posušenega prahu je bil fiksiran na mizico za vzorec s prevodnim lepilom in po vakuumskem razprševanju zlata opazovan in fotografiran pod vrstičnim elektronskim mikroskopom Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Rezultati in analiza

2.1 Vpliv posameznega faktorja na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze

2.1.1 Vpliv količine alkalije na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze

Ko smo k 2 g celuloze dodali NaOH3,2 g, je bila stopnja substitucije produkta najvišja. Količina NaOH se zmanjša, kar ni dovolj za tvorbo nevtralizacije alkalne celuloze in sredstva za eterifikacijo, izdelek pa ima majhno stopnjo substitucije in nizko viskoznost. Nasprotno, če je količina NaOH prevelika, se bodo stranske reakcije med hidrolizo kloroocetne kisline povečale, povečala se bo poraba sredstva za eteriranje in zmanjšala se bo tudi viskoznost produkta.

2.1.2 Vpliv koncentracije raztopine etanola na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze

Del vode v raztopini etanola obstaja v reakcijskem mediju zunaj celuloze, drugi del pa obstaja v celulozi. Če je vsebnost vode prevelika, bo CMC v vodi nabreknil, da bo med eterifikacijo nastal žele, kar bo povzročilo zelo neenakomerno reakcijo; če je vsebnost vode premajhna, bo reakcija težko potekala zaradi pomanjkanja reakcijskega medija. Na splošno je najprimernejše topilo 80 % etanol.

2.1.3 Vpliv odmerka monokloroocetne kisline na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze

Količina monokloroocetne kisline in natrijevega hidroksida je teoretično 1:2, a da se reakcija premakne v smeri tvorbe CMC, zagotovite, da je v reakcijskem sistemu ustrezna prosta baza, da lahko karboksimetilacija nemoteno poteka. Iz tega razloga je sprejeta metoda presežka alkalij, to je molsko razmerje med kislino in alkalijo 1:2,2.

2.1.4 Vpliv temperature eterifikacije na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze

Višja kot je temperatura eterifikacije, hitrejša je hitrost reakcije, vendar se pospešijo tudi stranske reakcije. Z vidika kemijskega ravnovesja je naraščajoča temperatura neugodna za nastanek CMC, če pa je temperatura prenizka, je hitrost reakcije počasna in stopnja izrabe sredstva za eteriranje nizka. Vidimo, da je optimalna temperatura za eteriranje 70°C.

2.1.5 Vpliv časa eterifikacije na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze

S podaljševanjem časa eterifikacije se stopnja substitucije CMC poveča, hitrost reakcije pa se pospeši, vendar se po določenem času stranske reakcije povečajo in stopnja substitucije zmanjša. Ko je čas eterifikacije 100 minut, je stopnja substitucije največja.

2.2 Rezultati ortogonalnih testov in analiza karboksimetilnih skupin

Iz tabele analize variance je razvidno, da imajo v primarni postavki štirje dejavniki čas zaetrenja, temperatura zaetrenja, količina NaOH in količina monokloroocetne kisline zelo pomemben vpliv na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze (p <0,01) . Med postavkami interakcij sta na stopnjo substitucije karboksimetilceluloze zelo pomembno vplivala postavka interakcije čas eterifikacije in količina monokloroocetne kisline ter postavka interakcije temperatura eterifikacije in količina monokloroocetne kisline (p<0,01). Vrstni red vpliva različnih dejavnikov na stopnjo substitucije karboksimetil celuloze je bil: temperatura zaetrenja>količina monokloroocetne kisline>čas zaetrenja>količina NaOH.

Po analizi rezultatov preskusa zasnove kombinacije ortogonalne rotacije kvadratne regresije je mogoče ugotoviti, da so optimalni procesni pogoji za modifikacijo karboksimetilacije: čas eterifikacije 100 min, temperatura eterifikacije 70℃, NaOH odmerek 3,2 g in monokloroocetna kislina Odmerek je 3,0 g, največja stopnja substitucije pa 0,53.

2.3 Mikroskopska karakterizacija delovanja

Morfologijo površine delcev celuloze, karboksimetil celuloze in zamrežene karboksimetil celuloze smo proučevali z vrstično elektronsko mikroskopijo. Celuloza raste v obliki traku z gladko površino; rob karboksimetil celuloze je bolj hrapav kot rob ekstrahirane celuloze, struktura votline se poveča in prostornina postane večja. To je zato, ker postane struktura snopa večja zaradi nabrekanja karboksimetil celuloze.

3. Zaključek

3.1 Priprava karboksimetil eterificirane celuloze Vrstni red pomembnosti štirih dejavnikov, ki vplivajo na stopnjo substitucije celuloze, je: temperatura zaetrenja > odmerek monokloroocetne kisline > čas zaetrenja > odmerek NaOH. Optimalni procesni pogoji modifikacije karboksimetilacije so čas eterifikacije 100 min, temperatura eterifikacije 70℃, odmerek NaOH 3,2 g, odmerek monokloroocetne kisline 3,0 g in največja substitucijska stopnja 0,53.

3.2 Optimalni tehnološki pogoji modifikacije karboksimetilacije so: čas eterifikacije 100min, temperatura eterifikacije 70℃, odmerek NaOH 3,2 g, odmerek monokloroocetne kisline 3,0 g, največja substitucijska stopnja 0,53.