Företringsreaktion på cellulosaeter

Företringsaktiviteten hos cellulosa studerades med knådningsmaskin respektive omröringsreaktor, och hydroxietylcellulosa och karboximetylcellulosa framställdes med kloroetanol respektive monoklorättiksyra. Resultaten visade att företringsreaktionen av cellulosa utfördes genom omrörning i reaktor under betingelser av högintensiv omröring. Cellulosa har god företringsreaktivitet, vilket är bättre än knådarmetoden när det gäller att förbättra företringseffektiviteten och förbättra ljustransmissionen av produkten i vattenlösning.) Därför är en förbättring av omrörningsintensiteten i reaktionsprocessen ett bättre sätt att utveckla substituerande homogen cellulosaföretring produkter.

Nyckelord:företringsreaktion; Cellulosa;Hydroxietylcellulosa; Karboximetylcellulosa

Vid utvecklingen av raffinerade bomullscellulosaeterprodukter används lösningsmedelsmetoden i stor utsträckning och knådningsmaskin används som reaktionsutrustning. Men bomullscellulosa består huvudsakligen av kristallområden där molekylerna är ordnade prydligt och tätt. När knådningsmaskin används som reaktionsutrustning, är knådningsarmen på knådningsmaskinen långsam under reaktionen, och motståndet hos företringsmedlet att komma in i olika lager av cellulosa är stort och hastigheten är långsam, vilket resulterar i lång reaktionstid, hög andel sida reaktioner och ojämn fördelning av substituentgrupper på cellulosamolekylkedjor.

Vanligtvis är företringsreaktionen av cellulosa en heterogen reaktion utanför och inuti. Om det inte finns någon yttre dynamisk verkan, är företringsmedlet svårt att komma in i cellulosakristallisationszonen. Och genom förbehandling av raffinerad bomull (som att använda fysiska metoder för att öka ytan av raffinerad bomull), samtidigt med omrörningsreaktor för reaktionsutrustning, med snabb omrörande företringsreaktion, enligt resonemang, kan cellulosa kraftigt svälla, svullnaden av cellulosa amorf area och kristallisationsarea tenderar att vara konsekvent, förbättra reaktionsaktiviteten. Den homogena fördelningen av cellulosaetersubstituenter i heterogena företringsreaktionssystem kan uppnås genom att öka den externa omrörningsförmågan. Så det kommer att vara den framtida utvecklingsriktningen för vårt land att utveckla högkvalitativa cellulosaföretringsprodukter med omrörd reaktionskokare som reaktionsutrustning.

1. Experimentell del

1.1 Raffinerad bomullscellulosaråvara för test

Beroende på de olika reaktionsutrustningar som används i experimentet är förbehandlingsmetoderna för bomullscellulosa olika. När knådaren används som reaktionsutrustning är också förbehandlingsmetoderna olika. När knådaren används som reaktionsutrustning är kristalliniteten hos den använda raffinerade bomullscellulosan 43,9 % och den genomsnittliga längden på den raffinerade bomullscellulosan är 15 ~ 20 mm. Kristalliniteten hos raffinerad bomullscellulosa är 32,3 % och den genomsnittliga längden av raffinerad bomullscellulosa är mindre än 1 mm när omrörningsreaktor används som reaktionsutrustning.

1.2 Utveckling av karboximetylcellulosa och hydroxietylcellulosa

Framställningen av karboximetylcellulosa och hydroxietylcellulosa kan utföras genom att använda 2L knådare som reaktionsutrustning (medelhastigheten under reaktionen är 50r/min) och en 2L omröringsreaktor som reaktionsutrustning (medelhastigheten under reaktionen är 500r/min).

Under reaktionen kommer alla råvaror från den strikta kvantitativa reaktionen. Produkten som erhålls från reaktionen tvättas med vikt = 95 % etanol och torkas sedan med vakuum i 24 timmar under undertrycket 60°C och 0,005 mpa. Fukthalten i det erhållna provet är w=2,7 %±0,3 %, och produktprovet för analys tvättas tills askhalten w < 0,2 %.

Förberedelsesteg för knådningsmaskin som reaktionsutrustning är följande:

Eterifieringsreaktion → produkttvätt → torkning → riven granulering → förpackning utförs i knådare.

Beredningsstegen för omrörningsreaktorn som reaktionsutrustning är följande:

Eterifieringsreaktion → produkttvätt → torkning och granulering → förpackning utförs i en omrörd reaktor.

Det kan ses att knådaren används som reaktionsutrustning för framställning av egenskaperna för låg reaktionseffektivitet, torkning och malning av granulering steg för steg, och kvaliteten på produkten kommer att minska kraftigt i malningsprocessen.

Egenskaperna för beredningsprocessen med omrörd reaktor som reaktionsutrustning är som följer: hög reaktionseffektivitet, produktgranuleringen använder inte den traditionella granuleringsprocessmetoden för torkning och malning, och torknings- och granuleringsprocessen utförs samtidigt med de otorkade produkterna efter tvätt, och produktkvaliteten förblir oförändrad i tork- och granuleringsprocessen.

1.3 Röntgendiffraktionsanalys

Röntgendiffraktionsanalys utfördes med Rigaku D/max-3A röntgendiffraktometer, grafitmonokromator, Θ-vinkeln var 8°~30°, CuKa-strålen, rörtrycket och rörflödet var 30kV och 30mA.

1.4 Infraröd spektrumanalys

Spectrum-2000PE FTIR infraröd spektrometer användes för infraröd spektrumanalys. Alla prover för infrarödspektrumanalys hade en vikt av 0,0020 g. Dessa prover blandades med 0,1600 g KBr respektive och pressades sedan (med en tjocklek på < 0,8 mm) och analyserades.

1.5 Transmittansdetektering

Transmittansen detekterades med 721 spektrofotometer. CMC-lösning w=w1% placerades i en 1 cm kolorimetrisk skål vid 590 nm våglängd.

1.6 Grad av substitutionsdetektering

HEC-substitutionsgraden för hydroxietylcellulosa mättes med kemisk standardanalysmetod. Principen är att HEC kan sönderdelas av HI-hydrojodat vid 123℃, och graden av substitution av HEC kan bestämmas genom att mäta de nedbrutna ämnena eten och etenjodid som produceras. Substitutionsgraden av hydroximetylcellulosa kan också testas med kemiska analysmetoder av standardtyp.

2. Resultat och diskussion

Två typer av reaktionskärl används här: den ena är knådningsmaskin som reaktionsutrustning, den andra är reaktionskärl av omrörningstyp som reaktionsutrustning, i heterogent reaktionssystem, alkaliskt tillstånd och alkoholhaltigt vattenlösningsmedelssystem studeras företringsreaktionen av raffinerad bomullscellulosa. Bland dem är de tekniska egenskaperna hos knådningsmaskin som reaktionsutrustning: I reaktionen är knådningsarmens hastighet långsam, reaktionstiden är lång, andelen sidoreaktioner är hög, användningshastigheten av företringsmedlet är låg, och likformigheten för substitutionsgruppsfördelningen i eteriseringsreaktionen är dålig. Forskningsprocessen kan endast begränsas till relativt snäva reaktionsförhållanden. Dessutom är justerbarheten och kontrollerbarheten av huvudreaktionsförhållandena (såsom badförhållande, alkalikoncentration, knådningsarmens hastighet på knådmaskinen) mycket dålig. Det är svårt att uppnå den ungefärliga enhetligheten för företringsreaktionen och att studera massöverföringen och penetrationen av företringsreaktionsprocessen på djupet. Processegenskaperna hos en omröringsreaktor som reaktionsutrustning är: snabb omrörningshastighet i reaktionen, snabb reaktionshastighet, hög utnyttjandegrad av eteriseringsmedel, enhetlig fördelning av eteriserande substituenter, justerbara och kontrollerbara huvudreaktionsförhållanden.

Karboximetylcellulosa CMC framställdes med knådarreaktionsutrustning respektive omröringsreaktorreaktionsutrustning. När knådaren användes som reaktionsutrustning var omrörningsintensiteten låg och den genomsnittliga rotationshastigheten var 50 r/min. När omröringsreaktorn användes som reaktionsutrustning var omrörningsintensiteten hög och den genomsnittliga rotationshastigheten var 500 r/min. När molförhållandet mellan monoklorättiksyra och cellulosamonosackarid var 1:5:1 var reaktionstiden 1,5 h vid 68°C. Ljustransmittansen för CMC erhållen med knådningsmaskin var 98,02% och företringseffektiviteten var 72% på grund av den goda permeabiliteten för CM i klorättiksyraföretrande medel. När omröringsreaktorn användes som reaktionsutrustning var permeabiliteten för företringsmedlet bättre, transmittansen av CMC var 99,56 % och effektiviteten för eteriseringsreaktionen ökades till 81 %.

Hydroxietylcellulosa HEC framställdes med knådare och omröringsreaktor som reaktionsutrustning. När knådare användes som reaktionsutrustning var reaktionseffektiviteten för eteriseringsmedlet 47 % och vattenlösligheten var dålig när permeabiliteten för kloroetylalkohol-eteriseringsmedel var dålig och molförhållandet mellan kloretanol och cellulosamonosackarid var 3:1 vid 60°C under 4 timmar . Endast när molförhållandet mellan kloroetanol och cellulosamonosackarider är 6:1 kan produkterna med god vattenlöslighet bildas. När omröringsreaktorn användes som reaktionsutrustning blev permeabiliteten för kloroetylalkoholföretringsmedlet bättre vid 68°C under 4 timmar. När molförhållandet mellan kloretanol och cellulosamonosackarid var 3:1, hade den resulterande HEC en bättre vattenlöslighet och effektiviteten för företringsreaktionen ökades till 66 %.

Reaktionseffektiviteten och reaktionshastigheten för eteriseringsmedlet klorättiksyra är mycket högre än för kloroetanol, och omrörningsreaktorn som eteriseringsreaktionsutrustning har uppenbara fördelar jämfört med knådaren, vilket avsevärt förbättrar effektiviteten för eteriseringsreaktionen. Den höga transmittiviteten hos CMC indikerar också indirekt att omrörningsreaktorn som eteriseringsreaktionsutrustning kan förbättra homogeniteten hos eteriseringsreaktionen. Detta beror på att cellulosakedjan har tre hydroxylgrupper på varje glukosgruppsring, och endast i ett starkt svällt eller upplöst tillstånd är alla cellulosahydroxylpar av företrande medelsmolekyler tillgängliga. Företringsreaktionen av cellulosa är vanligtvis en heterogen reaktion från utsidan till insidan, speciellt i cellulosaområdets kristallina område. När kristallstrukturen av cellulosa förblir intakt utan påverkan av yttre kraft, är det svårt att företra medlet i den kristallina strukturen, vilket påverkar homogeniteten hos den heterogena reaktionen. Därför, genom att förbehandla den raffinerade bomullen (såsom att öka den specifika ytan på den raffinerade bomullen), kan reaktiviteten hos den raffinerade bomullen förbättras. I det stora badförhållandet (etanol/cellulosa eller isopropylalkohol/cellulosa och höghastighets omrörningsreaktion, enligt resonemanget, kommer ordningen för cellulosakristallisationszonen att reduceras, vid denna tidpunkt kan cellulosan svälla kraftigt, så att svällningen av den amorfa och kristallina cellulosazonen tenderar att vara konsekvent. Således är reaktiviteten hos den amorfa regionen och den kristallina regionen liknande.

Med hjälp av infraröd spektrumanalys och röntgendiffraktionsanalys kan företringsreaktionsprocessen för cellulosa förstås mer levande när omröringsreaktor används som företringsreaktionsutrustning.

Här analyserades infrarödspektra och röntgendiffraktionsspektra. Företringsreaktionen av CMC och HEC utfördes i en omrörd reaktor under de ovan beskrivna reaktionsbetingelserna.

Den infraröda spektrumanalysen visar att etereringsreaktionen av CMC och HEC ändras regelbundet med förlängningen av reaktionstiden, graden av substitution är annorlunda.

Genom analys av röntgendiffraktionsmönster tenderar kristalliniteten för CMC och HEC att bli noll med förlängningen av reaktionstiden, vilket indikerar att dekristalliseringsprocessen i princip har realiserats i alkaliseringssteget och uppvärmningssteget före företringsreaktionen av raffinerad bomull . Därför är karboximetyl- och hydroxietylföretringsreaktiviteten hos raffinerad bomull inte längre huvudsakligen begränsad av kristalliniteten hos raffinerad bomull. Det är relaterat till permeabiliteten hos företringsmedlet. Det kan visas att företringsreaktionen av CMC och HEC utförs med omröringsreaktor som reaktionsutrustning. Under omrörning med hög hastighet är det fördelaktigt för dekristalliseringsprocessen för den raffinerade bomullen i alkaliseringssteget och uppvärmningssteget före företringsreaktionen, och hjälper företringsmedlet att tränga in i cellulosan, för att förbättra effektiviteten av företringsreaktionen och substitutionslikformigheten .

Sammanfattningsvis betonar denna studie påverkan av omrörningskraft och andra faktorer på reaktionseffektiviteten under reaktionsprocessen. Därför är förslaget i denna studie baserat på följande skäl: I det heterogena etereringsreaktionssystemet är användningen av stort badförhållande och hög omrörningsintensitet etc. de grundläggande förutsättningarna för framställning av ungefär homogen cellulosaeter med substituentgrupp distribution; I ett specifikt heterogent etereringsreaktionssystem kan högpresterande cellulosaeter med ungefär likformig fördelning av substituenter framställas genom att använda omröringsreaktor som reaktionsutrustning, vilket visar att cellulosaetervattenlösning har en hög transmittans, vilket är av stor betydelse för att utöka egenskaperna och funktioner hos cellulosaeter. Knådmaskinen används som reaktionsutrustning för att studera företringsreaktion av raffinerad bomull. På grund av den låga omrörningsintensiteten är det inte bra för penetrationen av företringsmedlet och har vissa nackdelar såsom hög andel sidoreaktioner och dålig fördelningslikformighet av företringssubstituenter.