Phản ứng ete hóa trên ete xenlulo

Hoạt tính ether hóa của cellulose được nghiên cứu bằng máy nhào và lò phản ứng khuấy tương ứng, và hydroxyethyl cellulose và carboxymethyl cellulose được điều chế tương ứng bằng chloroetanol và axit monochloroacetic. Kết quả cho thấy phản ứng ether hóa cellulose được thực hiện bằng thiết bị khuấy khuấy trong điều kiện khuấy trộn cường độ cao. Cellulose có khả năng phản ứng ether hóa tốt, tốt hơn phương pháp nhào trong việc nâng cao hiệu quả ether hóa và tăng cường khả năng truyền ánh sáng của sản phẩm trong dung dịch nước.) Do đó, cải thiện cường độ khuấy của quá trình phản ứng là cách tốt hơn để phát triển quá trình ether hóa cellulose đồng nhất thay thế các sản phẩm.

Từ khóa:phản ứng ete hóa; Xenlulo;Hydroxyetyl ​​xenluloza; Carboxymetyl xenluloza

Trong quá trình phát triển các sản phẩm ete cellulose bông tinh chế, phương pháp dung môi được sử dụng rộng rãi và máy nhào được sử dụng làm thiết bị phản ứng. Tuy nhiên, cellulose bông chủ yếu bao gồm các vùng tinh thể nơi các phân tử được sắp xếp gọn gàng và chặt chẽ. Khi sử dụng máy nhào làm thiết bị phản ứng, cánh tay nhào của máy nhào chậm trong quá trình phản ứng, lực cản của chất ether hóa đi vào các lớp cellulose khác nhau lớn và tốc độ chậm, dẫn đến thời gian phản ứng dài, tỷ lệ mặt bên cao. phản ứng và sự phân bố không đồng đều của các nhóm thế trên chuỗi phân tử cellulose.

Thông thường phản ứng ether hóa cellulose là phản ứng không đồng nhất bên ngoài và bên trong. Nếu không có tác động động bên ngoài, tác nhân ether hóa khó đi vào vùng kết tinh của cellulose. Và thông qua quá trình tiền xử lý bông tinh chế (chẳng hạn như sử dụng phương pháp vật lý để tăng bề mặt của bông tinh chế), đồng thời với lò phản ứng khuấy cho thiết bị phản ứng, sử dụng phản ứng ether hóa khuấy nhanh, theo lý luận, cellulose có thể trương nở mạnh, trương nở diện tích vô định hình và diện tích kết tinh của cellulose có xu hướng ổn định, cải thiện hoạt tính phản ứng. Sự phân bố đồng nhất của các nhóm thế ete cellulose trong hệ thống phản ứng ete hóa không đồng nhất có thể đạt được bằng cách tăng công suất khuấy bên ngoài. Vì vậy, hướng phát triển trong tương lai của nước ta là phát triển các sản phẩm ete hóa cellulose chất lượng cao với ấm đun nước phản ứng dạng khuấy làm thiết bị phản ứng.

1. Phần thí nghiệm

1.1 Nguyên liệu bông cellulose tinh chế để thử nghiệm

Tùy theo các thiết bị phản ứng khác nhau được sử dụng trong thí nghiệm, các phương pháp tiền xử lý cellulose bông cũng khác nhau. Khi sử dụng máy nhào làm thiết bị phản ứng, các phương pháp tiền xử lý cũng khác nhau. Khi sử dụng máy nhào làm thiết bị phản ứng, độ kết tinh của cellulose bông tinh chế được sử dụng là 43,9% và chiều dài trung bình của cellulose bông tinh chế là 15 ~ 20 mm. Độ kết tinh của cellulose bông tinh chế là 32,3% và chiều dài trung bình của cellulose bông tinh chế nhỏ hơn 1mm khi sử dụng lò phản ứng khuấy làm thiết bị phản ứng.

1.2 Phát triển carboxymethyl cellulose và hydroxyethyl cellulose

Việc điều chế carboxymethyl cellulose và hydroxyethyl cellulose có thể được thực hiện bằng cách sử dụng máy trộn 2L làm thiết bị phản ứng (tốc độ trung bình trong quá trình phản ứng là 50r/phút) và lò phản ứng khuấy 2L làm thiết bị phản ứng (tốc độ trung bình trong quá trình phản ứng là 500r/phút).

Trong quá trình phản ứng, tất cả các nguyên liệu thô đều có nguồn gốc từ phản ứng định lượng nghiêm ngặt. Sản phẩm thu được từ phản ứng được rửa bằng w=95% etanol, sau đó sấy khô bằng chân không trong 24 giờ dưới áp suất âm 60oC và 0,005mpa. Độ ẩm của mẫu thu được là w=2,7%±0,3%, mẫu sản phẩm dùng để phân tích được rửa cho đến khi hàm lượng tro w < 0,2%.

Các bước chuẩn bị của máy nhào làm thiết bị phản ứng như sau:

Phản ứng ether hóa → rửa sản phẩm → sấy khô → nghiền hạt → đóng gói được thực hiện trong máy nhào.

Các bước chuẩn bị lò phản ứng khuấy làm thiết bị phản ứng như sau:

Phản ứng ete hóa → rửa sản phẩm → sấy khô và tạo hạt → đóng gói được thực hiện trong lò phản ứng khuấy.

Có thể thấy, máy nhào được sử dụng làm thiết bị phản ứng để chuẩn bị các đặc tính hiệu suất phản ứng thấp, sấy và nghiền hạt từng bước, chất lượng sản phẩm sẽ bị giảm đi rất nhiều trong quá trình nghiền.

Đặc điểm của quy trình chuẩn bị với lò phản ứng khuấy làm thiết bị phản ứng như sau: hiệu suất phản ứng cao, quá trình tạo hạt sản phẩm không áp dụng phương pháp sấy và nghiền hạt truyền thống, và quá trình sấy và tạo hạt được thực hiện cùng lúc với các sản phẩm chưa sấy sau khi rửa và chất lượng sản phẩm không thay đổi trong quá trình sấy và tạo hạt.

1.3 Phân tích nhiễu xạ tia X

Phân tích nhiễu xạ tia X được thực hiện bằng máy đo nhiễu xạ tia X Rigaku D/max-3A, máy đơn sắc than chì, Θ Góc là 8°~30°, tia CuKα, áp suất ống và dòng chảy trong ống là 30kV và 30mA.

1.4 Phân tích phổ hồng ngoại

Máy quang phổ hồng ngoại Spectrum-2000PE FTIR được sử dụng để phân tích phổ hồng ngoại. Tất cả các mẫu để phân tích phổ hồng ngoại đều có trọng lượng 0,0020g. Các mẫu này được trộn lần lượt với 0,1600g KBr sau đó được ép ép (có độ dày < 0,8mm) và phân tích.

1.5 Phát hiện độ truyền qua

Độ truyền qua được phát hiện bằng máy quang phổ 721. Dung dịch CMC w=w1% được cho vào đĩa so màu 1cm ở bước sóng 590nm.

1.6 Mức độ phát hiện sự thay thế

Mức độ thay thế HEC của hydroxyethyl cellulose được đo bằng phương pháp phân tích hóa học tiêu chuẩn. Nguyên tắc là HEC có thể bị phân hủy bởi HI hydroiodate ở 123oC và mức độ thay thế của HEC có thể được biết bằng cách đo các chất phân hủy ethylene và ethylene iodide được tạo ra. Mức độ thay thế hydroxymethyl cellulose cũng có thể được kiểm tra bằng các phương pháp phân tích hóa học tiêu chuẩn.

2. Kết quả và thảo luận

Hai loại ấm phản ứng được sử dụng ở đây: một loại là máy nhào làm thiết bị phản ứng, loại còn lại là ấm phản ứng kiểu khuấy làm thiết bị phản ứng, trong hệ thống phản ứng không đồng nhất, điều kiện kiềm và hệ dung môi nước cồn, phản ứng ete hóa của cellulose bông tinh chế được nghiên cứu. Trong số đó, đặc điểm công nghệ của máy nhào làm thiết bị phản ứng là: Trong phản ứng, tốc độ của cánh tay nhào chậm, thời gian phản ứng dài, tỷ lệ phản ứng phụ cao, tỷ lệ sử dụng chất ether hóa thấp và tính đồng nhất của phân bố nhóm thay thế trong phản ứng ether hóa kém. Quá trình nghiên cứu chỉ có thể được giới hạn ở điều kiện phản ứng tương đối hẹp. Ngoài ra, khả năng điều chỉnh và kiểm soát các điều kiện phản ứng chính (như tỷ lệ dung dịch tắm, nồng độ kiềm, tốc độ cánh tay nhào của máy nhào) rất kém. Rất khó để đạt được tính đồng nhất gần đúng của phản ứng ether hóa và nghiên cứu sâu về sự chuyển khối và sự thâm nhập của quá trình phản ứng ether hóa. Các đặc điểm của quá trình của lò phản ứng khuấy làm thiết bị phản ứng là: tốc độ khuấy nhanh trong phản ứng, tốc độ phản ứng nhanh, tốc độ sử dụng chất ether hóa cao, phân bố đồng đều các nhóm thế ether hóa, điều kiện phản ứng chính có thể điều chỉnh và kiểm soát.

Carboxymethyl cellulose CMC được điều chế tương ứng bằng thiết bị phản ứng nhào trộn và thiết bị phản ứng lò khuấy khuấy. Khi sử dụng máy nhào làm thiết bị phản ứng, cường độ khuấy thấp và tốc độ quay trung bình là 50 vòng/phút. Khi sử dụng lò phản ứng khuấy làm thiết bị phản ứng, cường độ khuấy cao và tốc độ quay trung bình là 500 vòng/phút. Khi tỷ lệ mol của axit monochloroacetic và monosacarit xenluloza là 1:5:1, thời gian phản ứng là 1,5 giờ ở 68oC. Độ truyền ánh sáng của CMC thu được bằng máy nhào là 98,02% và hiệu suất ete hóa là 72% do CM có tính thấm tốt trong chất ete hóa axit chloroacetic. Khi lò phản ứng khuấy được sử dụng làm thiết bị phản ứng, tính thấm của chất ether hóa tốt hơn, độ truyền qua của CMC là 99,56% và hiệu suất phản ứng ether hóa tăng lên 81%.

Hydroxyethyl cellulose HEC được điều chế bằng máy trộn và lò khuấy khuấy làm thiết bị phản ứng. Khi máy nhào trộn được sử dụng làm thiết bị phản ứng, hiệu suất phản ứng của chất ete hóa là 47% và độ hòa tan trong nước kém khi tính thấm của chất ete hóa rượu chloroethyl kém và tỷ lệ mol của cloroetanol với monosacarit xenlulo là 3: 1 ở 60oC trong 4 giờ . Chỉ khi tỷ lệ mol của cloroetanol và monosacarit xenluloza là 6:1 thì mới có thể hình thành các sản phẩm có khả năng hòa tan trong nước tốt. Khi lò phản ứng khuấy được sử dụng làm thiết bị phản ứng, tính thấm của chất ete hóa rượu chloroethyl trở nên tốt hơn ở 68oC trong 4 giờ. Khi tỷ lệ mol của cloroetanol và monosacarit xenluloza là 3:1, HEC thu được có khả năng hòa tan trong nước tốt hơn và hiệu suất phản ứng ete hóa tăng lên 66%.

Hiệu suất phản ứng và tốc độ phản ứng của axit chloroacetic tác nhân ether hóa cao hơn nhiều so với chloroetanol, và lò phản ứng khuấy là thiết bị phản ứng ether hóa có lợi thế rõ ràng so với máy trộn, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả phản ứng ether hóa. Độ truyền qua cao của CMC cũng gián tiếp chỉ ra rằng lò phản ứng khuấy là thiết bị phản ứng ether hóa có thể cải thiện tính đồng nhất của phản ứng ether hóa. Điều này là do chuỗi cellulose có ba nhóm hydroxyl trên mỗi vòng nhóm glucose và chỉ ở trạng thái trương nở hoặc hòa tan mạnh thì tất cả các cặp hydroxyl cellulose của các phân tử tác nhân ete hóa mới có thể tiếp cận được. Phản ứng ether hóa cellulose thường là phản ứng không đồng nhất từ ​​ngoài vào trong, đặc biệt là ở vùng kết tinh của cellulose. Khi cấu trúc tinh thể của xenluloza còn nguyên vẹn không chịu tác dụng của ngoại lực, tác nhân ete khó đi vào cấu trúc tinh thể, ảnh hưởng đến tính đồng nhất của phản ứng không đồng nhất. Do đó, bằng cách xử lý trước bông tinh chế (chẳng hạn như tăng bề mặt riêng của bông tinh chế), khả năng phản ứng của bông tinh chế có thể được cải thiện. Trong tỷ lệ bể lớn (etanol/cellulose hoặc rượu isopropyl/cellulose và phản ứng khuấy tốc độ cao, theo lý luận, trật tự vùng kết tinh cellulose sẽ giảm đi, lúc này cellulose có thể trương nở mạnh, do đó hiện tượng trương nở của vùng cellulose vô định hình và vùng kết tinh có xu hướng giống nhau, do đó khả năng phản ứng của vùng vô định hình và vùng kết tinh là tương tự nhau.

Bằng phương pháp phân tích phổ hồng ngoại và phân tích nhiễu xạ tia X, quá trình phản ứng ete hóa cellulose có thể được hiểu một cách sống động hơn khi sử dụng lò phản ứng khuấy làm thiết bị phản ứng ete hóa.

Ở đây, phổ hồng ngoại và phổ nhiễu xạ tia X đã được phân tích. Phản ứng ete hóa CMC và HEC được thực hiện trong lò phản ứng khuấy trong các điều kiện phản ứng được mô tả ở trên.

Phân tích phổ hồng ngoại cho thấy phản ứng ether hóa của CMC và HEC thay đổi thường xuyên khi thời gian phản ứng kéo dài, mức độ thay thế là khác nhau.

Thông qua phân tích mẫu nhiễu xạ tia X, độ kết tinh của CMC và HEC có xu hướng bằng 0 khi thời gian phản ứng kéo dài, cho thấy quá trình khử kết tinh về cơ bản đã được thực hiện ở giai đoạn kiềm hóa và giai đoạn gia nhiệt trước phản ứng ete hóa của bông tinh chế . Do đó, khả năng phản ứng ete hóa carboxymethyl và hydroxyethyl của bông tinh chế không còn bị hạn chế chủ yếu bởi độ kết tinh của bông tinh chế. Nó liên quan đến tính thấm của tác nhân ether hóa. Có thể chỉ ra rằng phản ứng ete hóa CMC và HEC được thực hiện với thiết bị phản ứng là lò phản ứng khuấy. Khi khuấy ở tốc độ cao, nó có lợi cho quá trình khử kết tinh của bông tinh chế ở giai đoạn kiềm hóa và giai đoạn gia nhiệt trước phản ứng ether hóa, đồng thời giúp tác nhân ether hóa thấm vào cellulose, để cải thiện hiệu quả phản ứng ether hóa và tính đồng nhất thay thế .

Tóm lại, nghiên cứu này nhấn mạnh đến ảnh hưởng của lực khuấy và các yếu tố khác đến hiệu suất phản ứng trong quá trình phản ứng. Vì vậy, đề xuất của nghiên cứu này dựa trên các lý do sau: Trong hệ phản ứng ete hóa không đồng nhất, việc sử dụng tỷ lệ dung dịch lớn và cường độ khuấy cao, v.v. là điều kiện cơ bản để điều chế ete cellulose gần như đồng nhất với nhóm thế. phân bổ; Trong một hệ thống phản ứng ete không đồng nhất cụ thể, ete cellulose hiệu suất cao với sự phân bố gần như đồng đều của các nhóm thế có thể được điều chế bằng cách sử dụng lò phản ứng khuấy làm thiết bị phản ứng, điều này cho thấy dung dịch nước ete cellulose có độ truyền qua cao, có ý nghĩa lớn để mở rộng các tính chất và chức năng của ete cellulose. Máy nhào được sử dụng làm thiết bị phản ứng để nghiên cứu phản ứng ete hóa bông tinh chế. Do cường độ khuấy thấp nên không tốt cho sự xâm nhập của tác nhân ether hóa và có một số nhược điểm như tỷ lệ phản ứng phụ cao và độ đồng đều phân bố kém của các nhóm thế ether hóa.