อนุพันธ์ของเซลลูโลสคืออะไร?

อนุพันธ์ของเซลลูโลสผลิตโดยเอสเทอริฟิเคชันหรืออีเธอริฟิเคชันของกลุ่มไฮดรอกซิลในโพลีเมอร์เซลลูโลสด้วยรีเอเจนต์เคมี ตามลักษณะโครงสร้างของผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา อนุพันธ์ของเซลลูโลสสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท: เซลลูโลสอีเทอร์ เซลลูโลสเอสเทอร์ และเซลลูโลสอีเทอร์เอสเทอร์ เซลลูโลสเอสเทอร์ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ ได้แก่ เซลลูโลสไนเตรต เซลลูโลสอะซิเตต เซลลูโลสอะซิเตตบิวเทรต และเซลลูโลสแซนเทต เซลลูโลสอีเทอร์ประกอบด้วย: เมทิลเซลลูโลส, คาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส, เอทิลเซลลูโลส, ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส, ไซยาโนเอทิลเซลลูโลส, ไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสและไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส นอกจากนี้ยังมีอนุพันธ์เอสเทอร์อีเทอร์ผสม

คุณสมบัติและการใช้ประโยชน์ โดยการคัดเลือกสารทดแทนและการออกแบบกระบวนการทำให้ผลิตภัณฑ์สามารถละลายในน้ำ เจือจางสารละลายอัลคาไลหรือตัวทำละลายอินทรีย์ หรือมีคุณสมบัติเป็นเทอร์โมพลาสติก และสามารถใช้ในการผลิตเส้นใยเคมี ฟิล์ม ฐานฟิล์ม พลาสติก ฉนวน วัสดุ สารเคลือบ สารละลาย สารช่วยกระจายตัวโพลีเมอร์ วัตถุเจือปนอาหาร และผลิตภัณฑ์เคมีรายวัน คุณสมบัติของอนุพันธ์ของเซลลูโลสเกี่ยวข้องกับธรรมชาติขององค์ประกอบแทนที่ ระดับ DS ของกลุ่มไฮดรอกซิลสามกลุ่มบนกลุ่มกลูโคสที่ถูกแทนที่ และการกระจายตัวขององค์ประกอบย่อยตามสายโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่ เนื่องจากการสุ่มของปฏิกิริยา ยกเว้นผลิตภัณฑ์ที่ถูกแทนที่อย่างเท่าเทียมกันเมื่อทดแทนกลุ่มไฮดรอกซิลทั้งสามกลุ่ม (DS คือ 3) ในกรณีอื่นๆ (ปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันหรือปฏิกิริยาที่ต่างกัน) จะได้ตำแหน่งการแทนที่ที่แตกต่างกันสามตำแหน่งต่อไปนี้: ผลิตภัณฑ์ผสมที่มี กลุ่มกลูโคซิลที่ไม่ถูกทดแทน: ① monosubstituted (DS คือตำแหน่ง 1, C, C หรือ C จะถูกแทนที่ สูตรโครงสร้างดูเซลลูโลส); ② ถูกแทนที่ (DS คือตำแหน่ง 2, C, C, C, C หรือ C, C ที่ถูกแทนที่); 3 การทดแทนเต็ม (DS คือ 3) ดังนั้นคุณสมบัติของอนุพันธ์เซลลูโลสเดียวกันที่มีค่าการทดแทนเท่ากันจึงอาจแตกต่างกันค่อนข้างมาก ตัวอย่างเช่น เซลลูโลส ไดอะซิเตตที่สร้างเอสเทอร์โดยตรงไปยัง DS เท่ากับ 2 จะไม่ละลายในอะซิโตน แต่เซลลูโลส ไดอะซิเตตที่ได้จากการซาพอนิฟิเคชันของเซลลูโลสไตรอะซิเตตที่สร้างเอสเทอร์อย่างเต็มที่สามารถละลายในอะซิโตนได้อย่างสมบูรณ์ ความหลากหลายของการทดแทนนี้เกี่ยวข้องกับกฎพื้นฐานของเซลลูโลสเอสเทอร์และปฏิกิริยาอีเธอริฟิเคชัน

กฎพื้นฐานของปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันของเซลลูโลสและปฏิกิริยาอีเธอริฟิเคชันในโมเลกุลเซลลูโลส ตำแหน่งของกลุ่มไฮดรอกซิลทั้งสามกลุ่มในกลุ่มกลูโคสนั้นแตกต่างกัน และอิทธิพลของสารทดแทนที่อยู่ติดกันและสิ่งกีดขวางแบบสเตอริกก็แตกต่างกันเช่นกัน ความเป็นกรดสัมพัทธ์และระดับการแยกตัวของหมู่ไฮดรอกซิลทั้งสามกลุ่มคือ: C>C>C เมื่อทำปฏิกิริยาอีริฟิเคชันในตัวกลางที่เป็นด่าง หมู่ C ไฮดรอกซิลจะทำปฏิกิริยาก่อน จากนั้นจึงเกิดกลุ่มไฮดรอกซิล C และสุดท้ายคือกลุ่มไฮดรอกซิลปฐมภูมิของ C เมื่อทำปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันในตัวกลางที่เป็นกรด ความยากของปฏิกิริยาของหมู่ไฮดรอกซิลแต่ละหมู่จะตรงกันข้ามกับลำดับของปฏิกิริยาเอเทอริฟิเคชัน เมื่อทำปฏิกิริยากับรีเอเจนต์ทดแทนขนาดใหญ่ ผลการขัดขวางแบบสเตอริกมีอิทธิพลสำคัญ และหมู่ไฮดรอกซิล C ที่มีผลการขัดขวางแบบสเตอริกน้อยกว่าจะทำปฏิกิริยาได้ง่ายกว่าหมู่ไฮดรอกซิล C และ C

เซลลูโลสเป็นโพลีเมอร์ธรรมชาติที่เป็นผลึก ปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันและอีเธอริฟิเคชันส่วนใหญ่เป็นปฏิกิริยาต่างกันเมื่อเซลลูโลสยังคงแข็งอยู่ สถานะการแพร่กระจายของรีเอเจนต์ของปฏิกิริยาไปยังเส้นใยเซลลูโลสเรียกว่าความสามารถในการเข้าถึงได้ การจัดเรียงระหว่างโมเลกุลของบริเวณผลึกถูกจัดเรียงอย่างแน่นหนา และรีเอเจนต์สามารถแพร่กระจายไปยังพื้นผิวผลึกเท่านั้น การจัดเรียงระหว่างโมเลกุลในบริเวณอสัณฐานจะหลวม และมีหมู่ไฮดรอกซิลอิสระจำนวนมากที่สัมผัสกับรีเอเจนต์ได้ง่าย โดยมีความสามารถในการเข้าถึงสูงและปฏิกิริยาที่ง่ายดาย โดยทั่วไป วัตถุดิบที่มีความเป็นผลึกสูงและมีขนาดผลึกขนาดใหญ่นั้นไม่ง่ายที่จะทำปฏิกิริยาเหมือนกับวัตถุดิบที่มีความเป็นผลึกต่ำและมีขนาดผลึกเล็ก แต่สิ่งนี้ไม่เป็นความจริงทั้งหมด ตัวอย่างเช่น อัตราอะซิติเลชันของเส้นใยวิสโคสแห้งที่มีความเป็นผลึกต่ำกว่าและมีความเป็นผลึกน้อยกว่านั้นต่ำกว่าอัตราของเส้นใยฝ้ายที่มีความเป็นผลึกสูงกว่าและมีความเป็นผลึกมากกว่าอย่างเห็นได้ชัด เนื่องจากจุดพันธะไฮโดรเจนบางจุดถูกสร้างขึ้นระหว่างโพลีเมอร์ที่อยู่ติดกันในระหว่างกระบวนการทำให้แห้ง ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการแพร่กระจายของรีเอเจนต์ หากความชื้นในวัตถุดิบเซลลูโลสเปียกถูกแทนที่ด้วยตัวทำละลายอินทรีย์ที่มีขนาดใหญ่กว่า (เช่นกรดอะซิติก, เบนซีน, ไพริดีน) แล้วทำให้แห้ง ปฏิกิริยาของมันจะได้รับการปรับปรุงอย่างมากเนื่องจากการอบแห้งไม่สามารถขับตัวทำละลายออกได้อย่างสมบูรณ์ และบางส่วนมีขนาดใหญ่กว่า โมเลกุลจะติดอยู่ใน "รู" ของวัตถุดิบเซลลูโลส ก่อตัวเป็นเซลลูโลสที่มีอยู่ ระยะทางที่ขยายใหญ่ขึ้นจากการบวมนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะฟื้นตัว ซึ่งเอื้อต่อการแพร่กระจายของรีเอเจนต์ และส่งเสริมอัตราการเกิดปฏิกิริยาและความสม่ำเสมอของปฏิกิริยา ด้วยเหตุนี้ในกระบวนการผลิตอนุพันธ์ของเซลลูโลสต่างๆ จึงต้องมีการบวมที่สอดคล้องกัน โดยปกติแล้วน้ำ กรด หรือสารละลายอัลคาไลที่มีความเข้มข้นระดับหนึ่งจะใช้เป็นสารบวมตัว นอกจากนี้ ความยากของปฏิกิริยาเคมีของเยื่อกระดาษละลายที่มีตัวชี้วัดทางกายภาพและเคมีเหมือนกันมักจะแตกต่างกันมาก ซึ่งเกิดจากปัจจัยทางสัณฐานวิทยาของพืชหรือเซลล์ประเภทต่างๆ ที่มีหน้าที่ทางชีวเคมีและโครงสร้างต่างกันในโรงงานเดียวกัน ของ. ผนังปฐมภูมิของชั้นนอกของเส้นใยพืชขัดขวางการซึมผ่านของรีเอเจนต์และชะลอปฏิกิริยาเคมี ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้เงื่อนไขที่สอดคล้องกันในกระบวนการผลิตเยื่อกระดาษเพื่อทำลายผนังหลักเพื่อให้ได้เยื่อกระดาษที่ละลายและมีปฏิกิริยาที่ดีขึ้น ตัวอย่างเช่น เยื่อชานอ้อยเป็นวัตถุดิบที่มีปฏิกิริยาต่ำในการผลิตเยื่อวิสโคส เมื่อเตรียมสารละลายวิสโคส (สารละลายอัลคาไลเซลลูโลสแซนเทต) จะใช้คาร์บอนไดซัลไฟด์มากกว่าเยื่อสำลีและเยื่อไม้ อัตราการกรองต่ำกว่าวิสโคสที่เตรียมร่วมกับเยื่อกระดาษอื่นๆ เนื่องจากผนังปฐมภูมิของเซลล์เส้นใยอ้อยไม่ได้รับความเสียหายอย่างเหมาะสมระหว่างการผลิตเยื่อและการเตรียมอัลคาไลเซลลูโลสด้วยวิธีการทั่วไป ส่งผลให้ปฏิกิริยาเกิดสีเหลืองได้ยาก

เส้นใยเยื่อชานอ้อยอัลคาไลน์ก่อนไฮโดรไลซ์] และรูปที่ 2 [เส้นใยเยื่อชานอ้อยหลังการทำให้มีฤทธิ์เป็นด่าง] เป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่สแกนภาพพื้นผิวของเส้นใยเยื่อชานอ้อยหลังจากกระบวนการอัลคาไลน์พรีไฮโดรไลซ์และการทำให้มีฤทธิ์เป็นด่างแบบธรรมดาตามลำดับ ซึ่งยังคงมองเห็นได้ ล้างหลุม ในระยะหลังแม้ว่าหลุมจะหายไปเนื่องจากการบวมของสารละลายอัลคาไล แต่ผนังหลักยังคงครอบคลุมเส้นใยทั้งหมด หาก “การทำให้ชุ่มครั้งที่สอง” (การทำให้ชุ่มตามปกติตามด้วยการทำให้ชุ่มครั้งที่สองด้วยสารละลายอัลคาไลเจือจางที่ทำให้เกิดอาการบวมมาก) หรือกระบวนการบดแบบจุ่ม (การทำให้ชุ่มทั่วไปรวมกับการบดเชิงกล) ปฏิกิริยาการเกิดสีเหลืองสามารถดำเนินไปได้อย่างราบรื่น อัตราการกรองวิสโคส ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากทั้งสองวิธีข้างต้นสามารถลอกผนังหลักออกได้ เผยให้เห็นชั้นในของปฏิกิริยาที่ค่อนข้างง่าย ซึ่งเอื้อต่อการแทรกซึมของรีเอเจนต์และปรับปรุงประสิทธิภาพของปฏิกิริยา (รูปที่ 3 [การทำให้เส้นใยเยื่อชานอ้อยรองถูกทำให้มีขึ้นที่สอง) ], รูปที่ บดเส้นใยเยื่อชานอ้อย])

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้มีการเกิดระบบตัวทำละลายที่ไม่มีน้ำซึ่งสามารถละลายเซลลูโลสได้โดยตรง เช่น ไดเมทิลฟอร์มาไมด์และ NO, ไดเมทิลซัลฟอกไซด์และพาราฟอร์มัลดีไฮด์ และตัวทำละลายผสมอื่นๆ เป็นต้น ช่วยให้เซลลูโลสเกิดปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันได้ อย่างไรก็ตาม กฎของปฏิกิริยานอกระยะที่กล่าวมาข้างต้นบางข้อไม่สามารถใช้ได้อีกต่อไป ตัวอย่างเช่น เมื่อเตรียมเซลลูโลสไดอะซิเตตที่ละลายได้ในอะซิโตน ไม่จำเป็นต้องผ่านการไฮโดรไลซิสของเซลลูโลสไตรอะซิเตต แต่สามารถเอสเทอร์ได้โดยตรงจนกว่า DS จะเป็น 2