เซลลูโลส CMC และลักษณะเฉพาะของโครงสร้าง

การใช้เซลลูโลสฟางเป็นวัตถุดิบ ได้รับการแก้ไขโดยเอเทอริฟิเคชัน ผ่านการทดสอบแฟกเตอร์เดี่ยวและการหมุน สภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเตรียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสถูกกำหนดให้เป็น: เวลาอีเทอร์ริฟิเคชัน 100 นาที อุณหภูมิอีเทอร์ริฟิเคชัน 70℃, ปริมาณ NaOH 3.2g และปริมาณกรดโมโนคลอโรอะซิติก 3.0g การทดแทนสูงสุด ระดับคือ 0.53

คำสำคัญ: ซีเอ็มซีเซลลูโลส; กรดโมโนคลอโรอะซิติก อีเทอร์ริฟิเคชั่น; การปรับเปลี่ยน

คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสเป็นเซลลูโลสอีเทอร์ที่มีการผลิตและจำหน่ายมากที่สุดในโลก มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในผงซักฟอก อาหาร ยาสีฟัน สิ่งทอ การพิมพ์และการย้อมสี การทำกระดาษ ปิโตรเลียม เหมืองแร่ ยา เซรามิก ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ยาง สี ยาฆ่าแมลง เครื่องสำอาง หนัง พลาสติก และการขุดเจาะน้ำมัน ฯลฯ ที่รู้จักกันดี “โมโนโซเดียมกลูตาเมตอุตสาหกรรม” Carboxymethyl เซลลูโลสเป็นอนุพันธ์อีเทอร์เซลลูโลสที่ละลายน้ำได้ที่ได้จากการดัดแปลงเซลลูโลสธรรมชาติทางเคมี เซลลูโลสซึ่งเป็นวัตถุดิบหลักในการผลิตคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส เป็นหนึ่งในทรัพยากรหมุนเวียนทางธรรมชาติที่มีอยู่มากที่สุดในโลก โดยมีการผลิตหลายร้อยพันล้านตันต่อปี ประเทศของฉันเป็นประเทศเกษตรกรรมขนาดใหญ่และเป็นหนึ่งในประเทศที่มีทรัพยากรฟางมากที่สุด ฟางเป็นเชื้อเพลิงหลักในการดำรงชีวิตของชาวชนบทมาโดยตลอด ทรัพยากรเหล่านี้ไม่ได้รับการพัฒนาอย่างสมเหตุสมผลมาเป็นเวลานาน และขยะทางการเกษตรและป่าไม้ เช่น ฟาง น้อยกว่า 2% ถูกใช้ในโลกทุกปี ข้าวเป็นพืชเศรษฐกิจหลักในมณฑลเฮย์หลงเจียง โดยมีพื้นที่ปลูกมากกว่า 2 ล้านลูกบาศก์เมตร ผลผลิตข้าว 14 ล้านตันต่อปี และฟาง 11 ล้านตัน โดยทั่วไปแล้ว เกษตรกรจะเผาพวกมันโดยตรงในทุ่งนาเป็นขยะ ซึ่งไม่เพียงแต่เป็นการสิ้นเปลืองทรัพยากรธรรมชาติจำนวนมากเท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดมลพิษร้ายแรงต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย ดังนั้นการตระหนักถึงการใช้ทรัพยากรจากฟางจึงเป็นความจำเป็นของกลยุทธ์การพัฒนาที่ยั่งยืนของการเกษตร

1. วัสดุและวิธีการทดลอง

1.1 วัสดุและอุปกรณ์การทดลอง

เซลลูโลสฟางที่ผลิตเองในห้องปฏิบัติการ เจเจเครื่องผสมไฟฟ้าชนิด 1 โรงงานเครื่องมือทดลอง Jintan Guowang; SHZW2C ชนิด RS-ปั๊มสุญญากาศ Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; เครื่องวัดค่า pH pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; DGG-9070A เตาอบแห้งด้วยอุณหภูมิคงที่แบบไฟฟ้า, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments; เอทานอล; โซเดียมไฮดรอกไซด์; กรดคลอโรอะซิติก ฯลฯ (รีเอเจนต์ข้างต้นมีความบริสุทธิ์เชิงวิเคราะห์)

1.2 วิธีการทดลอง

1.2.1 การเตรียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

(1) วิธีเตรียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส: ชั่งเซลลูโลส 2 กรัมในขวดแบบสามคอ เติม NaOH 2.8 กรัม สารละลายเอธานอล 75% 20 มล. แล้วแช่ในด่างในอ่างน้ำอุณหภูมิคงที่ที่ 25°ซี เป็นเวลา 80 นาที ผัดด้วยเครื่องผสมให้เข้ากัน ในระหว่างกระบวนการนี้ เซลลูโลสจะทำปฏิกิริยากับสารละลายอัลคาไลน์เพื่อสร้างเซลลูโลสอัลคาไล ในขั้นตอนอีเทอร์ริฟิเคชัน ให้เติมสารละลายเอทานอล 75% 10 มล. และกรดคลอโรอะซิติก 3 กรัมลงในขวดแบบสามคอที่ทำปฏิกิริยาข้างต้น เพิ่มอุณหภูมิเป็น 65-70° C. และทำปฏิกิริยาเป็นเวลา 60 นาที เติมอัลคาไลเป็นครั้งที่สอง จากนั้นเติม NaOH 0.6 กรัม ลงในขวดปฏิกิริยาด้านบนเพื่อรักษาอุณหภูมิไว้ที่ 70°C และเวลาปฏิกิริยาคือ 40 นาทีเพื่อให้ได้ Na ดิบ-CMC (โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส)

การทำให้เป็นกลางและการซัก: เพิ่ม 1moL·กรดไฮโดรคลอริก L-1 และทำให้ปฏิกิริยาเป็นกลางที่อุณหภูมิห้องจนกระทั่ง pH=7~8 จากนั้นล้างสองครั้งด้วยเอทานอล 50% จากนั้นล้างอีกครั้งด้วยเอทานอล 95% กรองด้วยการดูดและทำให้แห้งที่ 80-90°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง

(2) การกำหนดระดับของการทดแทนตัวอย่าง: วิธีการตรวจวัดความเป็นกรด: ชั่งน้ำหนัก 0.2 กรัม (แม่นยำถึง 0.1 มก.) ของตัวอย่าง Na-CMC บริสุทธิ์และแห้ง ละลายในน้ำกลั่น 80 มล. คนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเวลา 10 นาที แล้วปรับ ด้วยกรดหรือด่าง สารละลายทำให้ค่า pH ของสารละลายมีค่าเป็น 8 จากนั้นไตเตรทสารละลายทดสอบด้วยสารละลายมาตรฐานของกรดซัลฟูริกในบีกเกอร์ที่ติดตั้งอิเล็กโทรดมิเตอร์วัดค่า pH และสังเกตข้อบ่งชี้ของเครื่องวัดค่า pH ขณะไตเตรทจนกระทั่งค่า pH เป็น 3.74. จดบันทึกปริมาตรของสารละลายมาตรฐานของกรดซัลฟิวริกที่ใช้

1.2.2 วิธีทดสอบปัจจัยเดียว

(1) ผลกระทบของปริมาณอัลคาไลต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส: ดำเนินการอัลคาไลเซชันที่ 25℃แช่อัลคาไลเป็นเวลา 80 นาทีความเข้มข้นในสารละลายเอทานอลคือ 75% ควบคุมปริมาณของตัวทำปฏิกิริยากรดโมโนคลอโรอะซิติก 3 กรัม อุณหภูมิอีเธอริฟิเคชันคือ 65 ~ 70°C เวลาอีเทอร์ริฟิเคชันคือ 100 นาที และปริมาณของโซเดียมไฮดรอกไซด์ถูกเปลี่ยนแปลงสำหรับการทดสอบ

(2) ผลกระทบของความเข้มข้นของสารละลายเอทานอลต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส: ปริมาณของอัลคาไลคงที่คือ 3.2 กรัม การแช่อัลคาไลน์ในอ่างน้ำอุณหภูมิคงที่ที่ 25°C เป็นเวลา 80 นาที ความเข้มข้นของสารละลายเอธานอลคือ 75% ควบคุมปริมาณของสารรีเอเจนต์กรดโมโนคลอโรอะซิติกที่ 3 กรัม etherification อุณหภูมิคือ 65-70°C เวลาอีเทอร์ริฟิเคชั่นคือ 100 นาที และความเข้มข้นของสารละลายเอธานอลเปลี่ยนไปสำหรับการทดลอง

(3) ผลของปริมาณกรดโมโนคลอโรอะซิติกต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส ให้คงที่ที่ 25°C สำหรับการทำให้เป็นด่าง แช่ในด่างเป็นเวลา 80 นาที เติมโซเดียมไฮดรอกไซด์ 3.2 กรัมเพื่อให้ความเข้มข้นของสารละลายเอธานอล 75% อีเทอร์ อุณหภูมิอยู่ที่ 65~70°C เวลาอีเทอร์ริฟิเคชันคือ 100 นาที และปริมาณของกรดโมโนคลอโรอะซิติกมีการเปลี่ยนแปลงสำหรับการทดลอง

(4) ผลกระทบของอุณหภูมิอีเทอร์ริฟิเคชันต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส: คงที่ที่ 25°C สำหรับการทำให้เป็นด่าง แช่ในด่างเป็นเวลา 80 นาที เติมโซเดียมไฮดรอกไซด์ 3.2 กรัมเพื่อให้ความเข้มข้นของสารละลายเอธานอล 75% อุณหภูมิอีเธอริฟิเคชัน อุณหภูมิอยู่ที่ 65 ~ 70℃เวลาอีเทอร์ริฟิเคชันคือ 100 นาที และทำการทดลองโดยการเปลี่ยนปริมาณของกรดโมโนคลอโรอะซิติก

(5) ผลของเวลาอีเทอร์ริฟิเคชั่นต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส: คงที่ที่ 25°C สำหรับความเป็นด่างเพิ่มโซเดียมไฮดรอกไซด์ 3.2 กรัมและแช่ในอัลคาไลเป็นเวลา 80 นาทีเพื่อให้ความเข้มข้นของสารละลายเอทานอล 75% และโมโนคลอร์ควบคุม ปริมาณของรีเอเจนต์กรดอะซิติกคือ 3 กรัม อุณหภูมิอีเธอริฟิเคชันคือ 65 ~ 70°C และเวลาอีเทอร์ริฟิเคชั่นมีการเปลี่ยนแปลงสำหรับการทดลอง

1.2.3 แผนการทดสอบและการเพิ่มประสิทธิภาพของคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

บนพื้นฐานของการทดลองปัจจัยเดี่ยว ได้มีการออกแบบการทดลองการหมุนมุมฉากการถดถอยกำลังสองร่วมกับปัจจัย 4 ตัวและ 5 ระดับ ปัจจัยสี่ประการ ได้แก่ เวลาของอีเธอริฟิเคชัน อุณหภูมิของอีเธอริฟิเคชัน ปริมาณ NaOH และปริมาณของกรดโมโนคลอโรอะซิติก การประมวลผลข้อมูลใช้ซอฟต์แวร์ทางสถิติ SAS8.2 สำหรับการประมวลผลข้อมูล ซึ่งเปิดเผยความสัมพันธ์ระหว่างแต่ละปัจจัยที่มีอิทธิพลและระดับของการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส กฎหมายภายใน

1.2.4 วิธีการวิเคราะห์ SEM

ตัวอย่างผงแห้งได้รับการแก้ไขบนเวทีตัวอย่างด้วยกาวนำไฟฟ้า และหลังจากการพ่นทองคำด้วยสุญญากาศ ก็ถูกสังเกตและถ่ายภาพภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดของ Hitachi-S-3400N Hitachi

2. ผลลัพธ์และการวิเคราะห์

2.1 ผลของปัจจัยเดียวต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

2.1.1 ผลของปริมาณอัลคาไลต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

เมื่อเติม NaOH3.2g ลงในเซลลูโลส 2g ระดับการทดแทนของผลิตภัณฑ์จะสูงที่สุด ปริมาณของ NaOH จะลดลง ซึ่งไม่เพียงพอที่จะก่อให้เกิดการวางตัวเป็นกลางของอัลคาไลน์เซลลูโลสและสารอีเทอร์ริฟิเคชั่น และผลิตภัณฑ์มีการทดแทนเล็กน้อยและมีความหนืดต่ำ ในทางตรงกันข้าม หากปริมาณ NaOH มากเกินไป ปฏิกิริยาข้างเคียงระหว่างการไฮโดรไลซิสของกรดคลอโรอะซิติกจะเพิ่มขึ้น การใช้สารอีเทอร์ริฟายอิ้งจะเพิ่มขึ้น และความหนืดของผลิตภัณฑ์ก็จะลดลงเช่นกัน

2.1.2 ผลของความเข้มข้นของสารละลายเอธานอลต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

น้ำส่วนหนึ่งในสารละลายเอทานอลมีอยู่ในตัวกลางที่ทำปฏิกิริยาภายนอกเซลลูโลส และอีกส่วนหนึ่งมีอยู่ในเซลลูโลส หากปริมาณน้ำมากเกินไป CMC จะพองตัวในน้ำเพื่อสร้างเยลลี่ระหว่างการทำปฏิกิริยาอีเทอร์ริฟิเคชัน ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาที่ไม่สม่ำเสมอมาก ถ้าปริมาณน้ำน้อยเกินไป ปฏิกิริยาจะดำเนินการได้ยากเนื่องจากไม่มีตัวกลางในการทำปฏิกิริยา โดยทั่วไปเอทานอล 80% เป็นตัวทำละลายที่เหมาะสมที่สุด

2.1.3 ผลของปริมาณของกรดโมโนคลอโรอะซิติกต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

ปริมาณของกรดโมโนคลอโรอะซิติกและโซเดียมไฮดรอกไซด์ในทางทฤษฎีคือ 1:2 แต่เพื่อที่จะเคลื่อนปฏิกิริยาไปในทิศทางของการสร้าง CMC ต้องแน่ใจว่ามีเบสอิสระที่เหมาะสมในระบบปฏิกิริยา เพื่อให้คาร์บอกซีเมทิลเลชั่นสามารถดำเนินไปได้อย่างราบรื่น ด้วยเหตุนี้จึงมีการใช้วิธีกำจัดอัลคาไลส่วนเกิน นั่นคืออัตราส่วนโมลของกรดและสารอัลคาไลคือ 1:2.2

2.1.4 ผลของอุณหภูมิอีเทอร์ริฟิเคชันต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

ยิ่งอุณหภูมิอีเทอร์ริฟิเคชั่นสูง อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะยิ่งเร็วขึ้น แต่ปฏิกิริยาข้างเคียงก็จะถูกเร่งด้วยเช่นกัน จากมุมมองของความสมดุลทางเคมี อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นไม่เอื้ออำนวยต่อการก่อตัวของ CMC แต่ถ้าอุณหภูมิต่ำเกินไป อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะช้าและอัตราการใช้ของสารอีเทอร์ริฟายอิ้งต่ำ จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับอีเทอร์ริฟิเคชั่นคือ 70°C.

2.1.5 ผลของเวลาอีเทอร์ริฟิเคชั่นต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

เมื่อเวลาอีเทอร์ริฟิเคชั่นเพิ่มขึ้น ระดับของการทดแทน CMC จะเพิ่มขึ้น และความเร็วของปฏิกิริยาจะถูกเร่ง แต่หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง ปฏิกิริยาข้างเคียงจะเพิ่มขึ้นและระดับของการทดแทนจะลดลง เมื่อเวลาอีเทอร์ริฟิเคชันคือ 100 นาที ระดับของการทดแทนจะสูงสุด

2.2 ผลการทดสอบมุมฉากและการวิเคราะห์หมู่คาร์บอกซีเมทิล

จะเห็นได้จากตารางการวิเคราะห์ความแปรปรวนว่าในรายการหลัก ปัจจัยสี่ประการของเวลาเอเทอริฟิเคชัน อุณหภูมิเอเธอริฟิเคชัน ปริมาณ NaOH และปริมาณของกรดโมโนคลอโรอะซิติก มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญมากต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส (p <0.01) . ในรายการอันตรกิริยา รายการอันตรกิริยาของเวลาอีเทอร์ริฟิเคชันและปริมาณของกรดโมโนคลอโรอะซิติก และรายการอันตรกิริยาของอุณหภูมิอีเธอริฟิเคชันและปริมาณของกรดโมโนคลอโรอะซิติก มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญมากต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส (p<0.01) ลำดับอิทธิพลของปัจจัยต่างๆ ต่อระดับการทดแทนคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสคือ: อุณหภูมิอีเทอร์ริฟิเคชัน > ปริมาณของกรดโมโนคลอโรอะซิติก > เวลาอีเทอร์ริฟิเคชัน > ปริมาณ NaOH

หลังจากการวิเคราะห์ผลการทดสอบของการออกแบบการผสมผสานการหมุนมุมฉากของการถดถอยกำลังสอง จึงสามารถระบุได้ว่าสภาวะกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการดัดแปลงคาร์บอกซีเมทิลเลชันคือ: เวลาอีเทอร์ริฟิเคชั่น 100 นาที อุณหภูมิอีเทอร์ริฟิเคชั่น 70℃, ปริมาณ NaOH 3.2 กรัม และกรดโมโนคลอโรอะซิติก ปริมาณคือ 3.0 กรัม และระดับการทดแทนสูงสุดคือ 0.53

2.3 ลักษณะสมรรถนะด้วยกล้องจุลทรรศน์

ศึกษาสัณฐานวิทยาพื้นผิวของเซลลูโลส คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส และอนุภาคคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสแบบ cross-linked โดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด เซลลูโลสจะเจริญเติบโตเป็นแถบและมีพื้นผิวเรียบ ขอบของคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสนั้นหยาบกว่าเซลลูโลสที่สกัดได้ และโครงสร้างของโพรงจะเพิ่มขึ้นและปริมาตรก็ใหญ่ขึ้น เนื่องจากโครงสร้างมัดมีขนาดใหญ่ขึ้นเนื่องจากการบวมของคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส

3. บทสรุป

3.1 การเตรียมคาร์บอกซีเมทิลอีเทอร์ไฟด์เซลลูโลส ลำดับความสำคัญของปัจจัยสี่ประการที่ส่งผลต่อระดับการทดแทนเซลลูโลสคือ: อุณหภูมิอีเทอร์ริฟิเคชัน > ปริมาณกรดโมโนคลอโรอะซิติก > เวลาอีเทอร์ริฟิเคชัน > ปริมาณ NaOH สภาวะกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดของการดัดแปลงคาร์บอกซีเมทิลเลชันคือเวลาเอเทอร์ริฟิเคชัน 100 นาที อุณหภูมิเอเทอร์ริฟิเคชัน 70℃ปริมาณ NaOH 3.2 กรัม ปริมาณกรดโมโนคลอโรอะซิติก 3.0 กรัม และระดับการทดแทนสูงสุด 0.53

3.2 เงื่อนไขทางเทคโนโลยีที่เหมาะสมที่สุดของการดัดแปลงคาร์บอกซีเมทิลเลชันคือ: เวลาอีเทอร์ริฟิเคชัน 100 นาที อุณหภูมิอีเทอร์ริฟิเคชัน 70℃, ปริมาณ NaOH 3.2 กรัม, ปริมาณกรดโมโนคลอโรอะซิติก 3.0 กรัม, ระดับการทดแทนสูงสุด 0.53