КМЦ целюлоза та характеристика її структури

Використовуючи солом’яну целюлозу як сировину, її модифікували шляхом етерифікації. За допомогою однофакторного та ротаційного тесту було визначено оптимальні умови для приготування карбоксиметилцелюлози: час етерифікації 100 хв, температура етерифікації 70℃, дозування NaOH 3,2 г і дозування монохлороцтової кислоти 3,0 г, максимальна ступінь заміщення 0,53.

Ключові слова: CMCцелюлоза; монохлороцтова кислота; етерифікація; модифікація

Карбоксиметилцелюлозає найбільш виробленим і продаваним ефіром целюлози у світі. Він широко використовується в миючих засобах, харчових продуктах, зубній пасті, текстилі, поліграфії та фарбуванні, виготовленні паперу, нафтовій промисловості, гірничодобувній промисловості, медицині, кераміці, електронних компонентах, гумі, фарбах, пестицидах, косметиці, шкірі, пластмасах та бурінні нафти тощо, відомі як «промисловий глутамат натрію». Карбоксиметилцелюлоза — водорозчинна похідна ефіру целюлози, отримана шляхом хімічної модифікації природної целюлози. Целюлоза, основна сировина для виробництва карбоксиметилцелюлози, є одним із найпоширеніших природних відновлюваних ресурсів на землі, щорічний видобуток якого становить сотні мільярдів тонн. моя країна є великою сільськогосподарською країною та однією з країн із найбільшими ресурсами соломи. Солома завжди була одним із основних засобів існування сільських жителів. Ці ресурси тривалий час не розроблялися раціонально, і щороку у світі використовується менше 2% відходів сільського та лісового господарства, таких як солома. Основною економічною культурою в провінції Хейлунцзян є рис, посівна площа якого перевищує 2 млн. м2, річний обсяг виробництва 14 млн. тонн рису та 11 млн. тонн соломи. Фермери, як правило, спалюють їх безпосередньо в полі як відходи, що не тільки є величезною тратою природних ресурсів, але й спричиняє серйозне забруднення навколишнього середовища. Тому реалізація ресурсокористування соломи є потребою стратегії сталого розвитку сільського господарства.

1. Експериментальні матеріали та методи

1.1 Експериментальні матеріали та обладнання

Солом'яна целюлоза, виготовлена ​​самостійно в лабораторії; JJ～1 тип електричного міксера, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory; SHZW2C типу RS—Вакуумний насос, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.; рН-метр pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.; Сушильна піч з електричним нагріванням постійної температури DGG-9070A, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.; скануючий електронний мікроскоп HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments; етанол; гідроксид натрію; хлороцтової кислоти та ін. (наведені вище реактиви є аналітично чистими).

1.2 Експериментальний метод

1.2.1 Отримання карбоксиметилцелюлози

(1) Спосіб приготування карбоксиметилцелюлози: зважують 2 г целюлози в тригорлу колбу, додають 2,8 г NaOH, 20 мл 75% розчину етанолу та замочують у лузі на водяній бані при постійній температурі при 25°С.°C протягом 80 хв. Перемішайте міксером, щоб добре поєднати. Під час цього процесу целюлоза реагує з лужним розчином з утворенням лужної целюлози. На стадії етерифікації додають 10 мл 75% розчину етанолу і 3 г хлороцтової кислоти в тригорлу колбу, що прореагувала вище, підвищують температуру до 65-70°С.° C. і реагують протягом 60 хвилин. Додайте луг вдруге, потім додайте 0,6 г NaOH у вищезгадану реакційну колбу, щоб підтримувати температуру 70°С.°C, а час реакції становить 40 хв для отримання неочищеного Na—CMC (натрій карбоксиметилцелюлоза).

Нейтралізація та промивання: додати 1моль·L-1 соляної кислоти та нейтралізуйте реакцію при кімнатній температурі до рН=7~8. Потім промивають двічі 50% етанолом, потім промивають один раз 95% етанолом, фільтрують із відсмоктуванням і сушать при 80-90°C протягом 2 годин.

(2) Визначення ступеня заміщення зразка: метод вимірювання кислотності: зважте 0,2 г (з точністю до 0,1 мг) очищеного та висушеного зразка Na-CMC, розчиніть його у 80 мл дистильованої води, перемішайте електромагнітним способом протягом 10 хвилин і відрегулюйте кислотою або лугом. Розчин доводив рН розчину до 8. Потім титруйте досліджуваний розчин стандартним розчином сірчаної кислоти в склянці, оснащеній електродом рН-метра, і спостерігайте за показаннями рН-метра під час титрування, доки рН не досягне значення 3.74. Запишіть об’єм використаного стандартного розчину сульфатної кислоти.

1.2.2 Однофакторний метод тестування

(1) Вплив кількості лугу на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози: підлужнюють при 25℃, занурення в луг на 80 хвилин, концентрація в розчині етанолу 75%, контрольна кількість реагенту монохлороцтової кислоти 3 г, температура етерифікації 65 ~70°С, час етерифікації становив 100 хвилин, і кількість гідроксиду натрію було змінено для тесту.

(2) Вплив концентрації розчину етанолу на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози: кількість фіксованого лугу становить 3,2 г, лужне занурення у водяну баню постійної температури при 25°С протягом 80 хв, концентрація розчину етанолу 75%, кількість реагенту монохлороцтової кислоти контролюють 3 г, етерифікація Температура 65-70°С.°С, час етерифікації становить 100 хв, а концентрацію розчину етанолу змінюють для експерименту.

(3) Вплив кількості монохлороцтової кислоти на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози: зафіксувати на 25°C для підлужнення, замочіть у лузі на 80 хвилин, додайте 3,2 г гідроксиду натрію, щоб концентрація розчину етанолу становила 75%, ефір. Температура 65~70°C, час етерифікації становить 100 хв, і кількість монохлороцтової кислоти змінюється для експерименту.

(4) Вплив температури етерифікації на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози: зафіксувати на рівні 25°C для підлужнення, замочіть у лузі протягом 80 хвилин, додайте 3,2 г гідроксиду натрію, щоб концентрація розчину етанолу становила 75%, температура етерифікації. Температура 65~70℃, час етерифікації 100 хв, експеримент проводять, змінюючи дозування монохлороцтової кислоти.

(5) Вплив часу етерифікації на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози: фіксований на 25°C для підлужнення, додають 3,2 г гідроксиду натрію та замочують у лузі протягом 80 хвилин, щоб зробити концентрацію розчину етанолу 75%, і контрольований монохлор. Дозування реагенту оцтової кислоти становить 3 г, температура етерифікації становить 65 ~ 70°С.°C, і час етерифікації змінюють для експерименту.

1.2.3 План випробувань та оптимізація карбоксиметилцелюлози

На основі однофакторного експерименту було розроблено комбінований експеримент із ортогональним обертанням квадратичної регресії з чотирма факторами та п’ятьма рівнями. Чотири фактори: час етерифікації, температура етерифікації, кількість NaOH і кількість монохлороцтової кислоти. При обробці даних використовується статистичне програмне забезпечення SAS8.2 для обробки даних, яке виявляє взаємозв’язок між кожним фактором впливу та ступенем заміщення карбоксиметилцелюлози. внутрішній закон.

1.2.4 Метод аналізу SEM

Зразок висушеного порошку фіксували на столику зразка за допомогою електропровідного клею, і після вакуумного напилення золота його спостерігали та фотографували під скануючим електронним мікроскопом Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Результати та аналіз

2.1 Вплив окремого фактора на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози

2.1.1 Вплив кількості лугу на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози

Коли NaOH3,2 г додають до 2 г целюлози, ступінь заміщення продукту був найвищим. Зменшується кількість NaOH, якого недостатньо для утворення нейтралізації лужної целюлози та етерифікатора, а продукт має невеликий ступінь заміщення та низьку в'язкість. Навпаки, якщо кількість NaOH занадто велика, посиляться побічні реакції під час гідролізу хлороцтової кислоти, збільшиться витрата етерифікуючого агента, а також зменшиться в’язкість продукту.

2.1.2 Вплив концентрації розчину етанолу на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози

Частина води в розчині етанолу існує в реакційному середовищі поза целюлозою, а інша частина існує в целюлозі. Якщо вміст води занадто великий, КМЦ набухає у воді з утворенням желе під час етерифікації, що призводить до дуже нерівномірної реакції; якщо вміст води занадто малий, реакцію буде важко протікати через відсутність реакційного середовища. Як правило, 80% етанол є найбільш прийнятним розчинником.

2.1.3 Вплив дозування монохлороцтової кислоти на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози

Кількість монохлороцтової кислоти та гідроксиду натрію теоретично становить 1:2, але для того, щоб зрушити реакцію в напрямку утворення КМЦ, переконайтеся, що в реакційній системі є відповідна вільна основа, щоб карбоксиметилювання могло протікати гладко. З цієї причини прийнято метод надлишку лугу, тобто молярне співвідношення кислоти і лугу становить 1:2,2.

2.1.4 Вплив температури етерифікації на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози

Чим вища температура етерифікації, тим швидше швидкість реакції, але побічні реакції також прискорюються. З точки зору хімічного балансу, підвищення температури є несприятливим для утворення CMC, але якщо температура занадто низька, швидкість реакції повільна, а швидкість використання етерифікуючого агента низька. Видно, що оптимальна температура для етерифікації 70°C.

2.1.5 Вплив часу етерифікації на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози

Зі збільшенням часу етерифікації ступінь заміщення КМЦ зростає, швидкість реакції прискорюється, але через певний час посилюються побічні реакції і зменшується ступінь заміщення. Коли час етерифікації становить 100 хв, ступінь заміщення є максимальною.

2.2 Результати ортогонального випробування та аналіз карбоксиметильних груп

З таблиці дисперсійного аналізу видно, що в основному елементі чотири фактори: час етерифікації, температура етерифікації, кількість NaOH і кількість монохлороцтової кислоти мають дуже значний вплив на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози (p <0,01) . Серед елементів взаємодії елементи взаємодії часу етерифікації та кількості монохлороцтової кислоти, а також елементи взаємодії температури етерифікації та кількості монохлороцтової кислоти мали дуже значний вплив на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози (p<0,01). Порядок впливу різних факторів на ступінь заміщення карбоксиметилцелюлози такий: температура етерифікації>кількість монохлороцтової кислоти>час етерифікації>кількість NaOH.

Після аналізу результатів випробувань комбінованого дизайну ортогонального обертання квадратичної регресії можна визначити, що оптимальні умови процесу для модифікації карбоксиметилювання: час етерифікації 100 хв, температура етерифікації 70℃, NaOH дозування 3,2 г і монохлороцтової кислоти Дозування 3,0 г, максимальна ступінь заміщення 0,53.

2.3 Мікроскопічна характеристика продуктивності

Морфологію поверхні частинок целюлози, карбоксиметилцелюлози та зшитої карбоксиметилцелюлози вивчали за допомогою скануючої електронної мікроскопії. Целюлоза росте у формі смужки з гладкою поверхнею; край карбоксиметилцелюлози шорсткіший, ніж у екстрагованої целюлози, а структура порожнини збільшується, а об’єм стає більшим. Це пояснюється тим, що пучкова структура стає більшою внаслідок набухання карбоксиметилцелюлози.

3. Висновок

3.1 Приготування карбоксиметилетерифікованої целюлози. Порядок важливості чотирьох факторів, що впливають на ступінь заміщення целюлози: температура етерифікації > дозування монохлороцтової кислоти > час етерифікації > доза NaOH. Оптимальними умовами процесу модифікації карбоксиметилювання є час етерифікації 100 хв, температура етерифікації 70℃, дозування NaOH 3,2 г, дозування монохлороцтової кислоти 3,0 г, максимальний ступінь заміщення 0,53.

3.2 Оптимальними технологічними умовами модифікації карбоксиметилювання є: час етерифікації 100 хв, температура етерифікації 70℃, NaOH дозування 3,2 г, монохлороцтової кислоти дозування 3,0 г, максимальний ступінь заміщення 0,53.