Chất liệu siêu thấm từ Cellulose Ether

Quá trình và hiệu suất sản phẩm của carboxymethyl cellulose liên kết ngang bằng N, N-methylenebisacrylamide để điều chế nhựa siêu hấp thụ đã được nghiên cứu và nồng độ kiềm, lượng chất liên kết ngang, quá trình ete hóa kiềm và dung môi đã được thảo luận. Ảnh hưởng của liều lượng đến khả năng hấp thụ nước của sản phẩm. Cơ chế hấp phụ của nhựa hút nước vào nước được giải thích. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng giá trị giữ nước (WRV) của sản phẩm này đạt tới 114ml/g.

Từ khóa:ete xenlulo; methylenebisacrylamide; sự chuẩn bị

1、Giới thiệu

Nhựa siêu thấm là vật liệu polymer có nhóm ưa nước mạnh và mức độ liên kết ngang nhất định. Các vật liệu hút nước thông thường như giấy, cotton, gai dầu có tỷ lệ hút nước thấp và khả năng giữ nước kém, trong khi các loại nhựa siêu thấm có thể hút nước gấp hàng chục lần trọng lượng của chúng và gel hình thành sau khi hút nước thậm chí sẽ không bị mất nước. với áp lực nhẹ. Khả năng giữ nước tuyệt vời. Nó không hòa tan trong nước cũng như trong dung môi hữu cơ.

Có một số lượng lớn các nhóm hydroxyl, nhóm cacboxyl và ion natri hydrat trên chuỗi phân tử của vật liệu siêu thấm làm từ cellulose. Sau khi hấp thụ nước, nước được bao quanh bởi mạng lưới phân tử ưa nước và có thể được giữ lại dưới áp suất bên ngoài. Khi nước làm ẩm nhựa hấp phụ, một lớp màng bán thấm được hình thành giữa nhựa và nước. Do nồng độ ion di động (Na+) trong nhựa hút nước cao nên theo Donnan'Theo nguyên lý cân bằng, sự chênh lệch nồng độ ion này có thể gây ra áp suất thẩm thấu. Kém, tạo thành khả năng ẩm và trương nở yếu, nước đi qua lớp màng bán thấm này và kết hợp với các nhóm ưa nước và các ion trên các đại phân tử của nhựa siêu thấm, làm giảm nồng độ các ion di động, từ đó thể hiện khả năng hút nước và trương nở cao. Quá trình hấp phụ này tiếp tục cho đến khi chênh lệch áp suất thẩm thấu gây ra bởi sự chênh lệch nồng độ của các ion di động bằng với khả năng chống lại sự giãn nở hơn nữa do lực kết dính của mạng phân tử của nhựa polymer gây ra. Ưu điểm của nhựa siêu thấm được điều chế từ cellulose là: tốc độ hút nước vừa phải, tốc độ hút nước nhanh, khả năng chịu nước mặn tốt, không độc hại, dễ điều chỉnh giá trị pH, có thể phân hủy trong tự nhiên, giá thành rẻ nên có phạm vi sử dụng rộng rãi. phạm vi sử dụng. Nó có thể được sử dụng làm chất chặn nước, chất điều hòa đất và chất giữ nước trong công nghiệp và nông nghiệp. Ngoài ra, nó có triển vọng phát triển và ứng dụng tốt trong y tế, thực phẩm, vi sinh và y học.

2. Phần thí nghiệm

2.1 Nguyên lý thí nghiệm

Việc chuẩn bị nhựa siêu thấm sợi bông chủ yếu là tạo thành cấu trúc liên kết ngang với mức độ thay thế thấp trên da sợi. Liên kết chéo với các hợp chất thường có hai hoặc nhiều nhóm chức phản ứng. Các nhóm chức có khả năng liên kết ngang bao gồm vinyl, hydroxyl, carboxyl, amide, axit clorua, oxirane, nitrile, v.v. Tỷ lệ hấp thụ nước của các loại nhựa siêu hấp thụ được điều chế bằng các chất liên kết ngang khác nhau là khác nhau. Trong thí nghiệm này, N, N-methylenebisacrylamide được sử dụng làm tác nhân liên kết ngang, bao gồm các bước sau:

(1) Cellulose (Rcell) phản ứng với dung dịch kiềm để tạo ra cellulose kiềm và phản ứng kiềm hóa cellulose là phản ứng tỏa nhiệt nhanh. Hạ nhiệt độ có lợi cho sự hình thành các sợi kiềm và có thể ức chế quá trình thủy phân của chúng. Việc thêm rượu có thể làm tăng sự rối loạn của xenlulo, điều này có lợi cho quá trình kiềm hóa và quá trình ete hóa sau đó.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Xellulose kiềm và axit monochloroacetic tạo ra natri carboxymethyl cellulose và phản ứng ether hóa thuộc về phản ứng thay thế nucleophilic:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N, N-methylenebisacrylamide liên kết ngang để thu được nhựa siêu thấm. Do vẫn còn một số lượng lớn các nhóm hydroxyl trên chuỗi phân tử của sợi carboxymethyl, nên sự ion hóa nhóm hydroxyl của cellulose và sự ion hóa liên kết đôi acryloyl trên chuỗi phân tử của N, N-methylenebisacrylamide có thể được kích hoạt dưới tác động xúc tác kiềm, sau đó Liên kết chéo giữa các chuỗi phân tử cellulose xảy ra thông qua quá trình ngưng tụ Michael và ngay lập tức trải qua quá trình trao đổi proton với nước để trở thành nhựa siêu hấp thụ cellulose không tan trong nước.

2.2 Nguyên liệu và dụng cụ

Nguyên liệu: bông thấm (cắt thành sợi), natri hydroxit, axit monochloroacetic, N, N-methylenebisacrylamide, ethanol tuyệt đối, axeton.

Dụng cụ: bình ba cổ, máy khuấy điện, bình ngưng hồi lưu, bình lọc hút, phễu Buchner, lò sấy chân không, bơm chân không nước tuần hoàn.

2.3 Phương pháp chuẩn bị

2.3.1 Kiềm hóa

Cho 1 g bông thấm vào bình ba cổ, sau đó thêm một lượng dung dịch natri hydroxit và etanol tuyệt đối, giữ nhiệt độ dưới nhiệt độ phòng và khuấy một lúc.

2.3.2 Ether hóa

Thêm một lượng axit chloroacetic nhất định và khuấy trong 1 giờ.

2.3.2 Liên kết chéo

Trong giai đoạn ete hóa sau này, N,N-methylenebisacrylamide được thêm vào theo tỷ lệ để thực hiện liên kết ngang và khuấy ở nhiệt độ phòng trong 2 giờ.

2.3.4 Xử lý hậu kỳ

Dùng axit axetic băng điều chỉnh pH về 7, rửa sạch muối bằng etanol, rửa sạch nước bằng axeton, lọc bằng máy hút và sấy chân không trong 4 giờ (ở khoảng 60°C, độ chân không 8,8kPa) để thu được sản phẩm sợi bông màu trắng.

2.4 Thử nghiệm phân tích

Tỷ lệ hấp thụ nước (WRV) được xác định bằng phương pháp sàng, tức là cho 1g sản phẩm (G) vào cốc có mỏ chứa 100ml nước cất (V1), ngâm trong 24 giờ, lọc qua sàng inox 200 lưới , và nước ở dưới cùng của màn hình được thu thập (V2). Công thức tính như sau: WRV=(V1-V2)/G.

3. Kết quả và thảo luận

3.1 Lựa chọn điều kiện phản ứng kiềm hóa

Trong quá trình sản xuất cellulose kiềm bằng tác dụng của sợi bông và dung dịch kiềm, các điều kiện của quá trình có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của sản phẩm. Có nhiều yếu tố trong phản ứng kiềm hóa. Để thuận tiện cho việc quan sát, phương pháp thiết kế thí nghiệm trực giao được áp dụng.

Các điều kiện khác: Dung môi là 20ml etanol tuyệt đối, tỷ lệ kiềm và chất ete hóa (mol/md) là 3:1, và chất liên kết ngang là 0,05g.

Kết quả thực nghiệm cho thấy: mối quan hệ sơ cấp và thứ cấp: C>A>B, tỷ lệ tốt nhất: A3B3C3. Nồng độ dung dịch kiềm là yếu tố quan trọng nhất trong phản ứng kiềm hóa. Nồng độ dung dịch kiềm cao có lợi cho sự hình thành cellulose kiềm. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nồng độ dung dịch kiềm càng cao thì hàm lượng muối trong nhựa siêu thấm đã chuẩn bị càng lớn. Vì vậy, khi rửa muối bằng etanol phải rửa nhiều lần để đảm bảo loại bỏ hết muối trong sản phẩm, để không ảnh hưởng đến khả năng hút nước của sản phẩm.

3.2 Ảnh hưởng của liều lượng chất tạo liên kết ngang lên sản phẩm WRV

Các điều kiện thí nghiệm là: 20ml etanol tuyệt đối, tỷ lệ kiềm và chất ete hóa là 2,3:1, 20ml dung dịch kiềm và 90 phút kiềm hóa.

Kết quả cho thấy lượng chất liên kết ngang ảnh hưởng đến mức độ liên kết ngang của CMC-Na. Liên kết ngang quá mức dẫn đến cấu trúc mạng chặt chẽ trong không gian sản phẩm, được đặc trưng bởi tốc độ hấp thụ nước thấp và độ đàn hồi kém sau khi hấp thụ nước; khi lượng tác nhân liên kết ngang nhỏ, liên kết ngang không hoàn chỉnh và có các sản phẩm hòa tan trong nước, điều này cũng ảnh hưởng đến tốc độ hấp thụ nước. Khi lượng chất liên kết ngang nhỏ hơn 0,06g thì tốc độ hút nước tăng khi lượng chất liên kết ngang tăng lên, khi lượng chất liên kết ngang lớn hơn 0,06g thì tốc độ hút nước giảm với lượng tác nhân liên kết ngang. Do đó, liều lượng chất liên kết ngang là khoảng 6% khối lượng sợi bông.

3.3 Ảnh hưởng của điều kiện ete hóa đến WRV của sản phẩm

Các điều kiện thí nghiệm là: nồng độ kiềm 40%; thể tích kiềm 20ml; etanol tuyệt đối 20ml; chất liên kết ngang liều lượng 0,06g; kiềm hóa 90 phút.

Từ công thức phản ứng hóa học, tỷ lệ kiềm-ete (NaOH:CICH2-COOH) phải là 2:1, nhưng lượng kiềm thực tế được sử dụng lớn hơn tỷ lệ này, vì nồng độ kiềm tự do nhất định phải được đảm bảo trong hệ thống phản ứng , bởi vì: nhất định Nồng độ bazơ tự do cao hơn có lợi cho việc hoàn thành phản ứng kiềm hóa; phản ứng liên kết ngang phải được thực hiện trong điều kiện kiềm; một số phản ứng phụ tiêu thụ kiềm. Tuy nhiên, nếu lượng kiềm được thêm vào quá nhiều, sợi kiềm sẽ bị phân hủy nghiêm trọng, đồng thời hiệu quả của tác nhân ether hóa sẽ giảm. Các thí nghiệm cho thấy tỷ lệ kiềm và ete là khoảng 2,5:1.

3.4 Ảnh hưởng của lượng dung môi

Các điều kiện thí nghiệm là: nồng độ kiềm 40%; liều lượng kiềm 20ml; tỷ lệ kiềm-ete 2,5:1; liều lượng tác nhân liên kết ngang 0,06g, kiềm hóa 90 phút.

Dung môi etanol khan đóng vai trò phân tán, đồng nhất và duy trì trạng thái bùn của hệ thống, có lợi cho việc phân tán và truyền nhiệt thoát ra trong quá trình hình thành cellulose kiềm và có thể làm giảm phản ứng thủy phân cellulose kiềm, từ đó thu được đồng nhất xelulo. Tuy nhiên, nếu lượng rượu thêm vào quá nhiều, chất kiềm và natri monochloroacetate sẽ hòa tan trong đó, nồng độ chất phản ứng sẽ giảm, tốc độ phản ứng sẽ giảm và cũng sẽ có tác động xấu đến liên kết ngang tiếp theo. Khi lượng etanol tuyệt đối là 20ml thì giá trị WRV lớn.

Tóm lại, điều kiện thích hợp nhất để chế tạo nhựa siêu thấm từ bông thấm đã được kiềm hóa và ete hóa carboxymethyl cellulose liên kết ngang bằng N, N-methylenebisacrylamide là: nồng độ kiềm 40%, 20ml nước và ethanol không dung môi, tỷ lệ kiềm và ether. là 2,5: 1, và liều lượng chất liên kết ngang là 0,06g (6% lượng xơ bông).