CMC السليلوز وتوصيف هيكله

باستخدام السليلوز القش كمادة خام، تم تعديله عن طريق الأثير.من خلال اختبار العامل الفردي والدوران، تم تحديد الظروف المثلى لتحضير كربوكسي ميثيل السليلوز وهي: زمن الأثير 100 دقيقة، درجة حرارة الأثير 70.درجه مئوية، جرعة NaOH 3.2 جرام وجرعة حمض أحادي كلورو أسيتيك 3.0 جرام، الحد الأقصى لدرجة الاستبدال هي 0.53.

الكلمات المفتاحية: سي إم سيالسليلوز.حمض أحادي كلورو أسيتيكالأثير.تعديل

كربوكسي ميثيل السليلوزهو إيثر السليلوز الأكثر إنتاجًا وبيعًا في العالم.يستخدم على نطاق واسع في المنظفات والمواد الغذائية ومعجون الأسنان والمنسوجات والطباعة والصباغة وصناعة الورق والبترول والتعدين والأدوية والسيراميك والمكونات الإلكترونية والمطاط والدهانات والمبيدات الحشرية ومستحضرات التجميل والجلود والبلاستيك وحفر النفط وما إلى ذلك. باسم "الغلوتامات أحادية الصوديوم الصناعية".كربوكسي ميثيل السليلوز هو مشتق من أثير السليلوز القابل للذوبان في الماء ويتم الحصول عليه عن طريق تعديل السليلوز الطبيعي كيميائيًا.ويعد السليلوز، المادة الخام الرئيسية لإنتاج كربوكسي ميثيل السليلوز، أحد أكثر الموارد الطبيعية المتجددة وفرة على وجه الأرض، حيث يبلغ إنتاجه السنوي مئات المليارات من الأطنان.إن بلدي بلد زراعي كبير ومن البلدان التي لديها موارد القش الأكثر وفرة.كان القش دائمًا أحد أنواع الوقود الحيوي الرئيسية لسكان الريف.ولم يتم تطوير هذه الموارد بشكل رشيد لفترة طويلة، ويتم استخدام أقل من 2٪ من النفايات الزراعية والحرجية مثل القش في العالم كل عام.يعد الأرز المحصول الاقتصادي الرئيسي في مقاطعة هيلونغجيانغ، حيث تبلغ مساحة زراعته أكثر من 2 مليون هكتار مربع، ويبلغ إنتاجه السنوي 14 مليون طن من الأرز، و11 مليون طن من القش.يحرقها المزارعون عمومًا مباشرة في الحقل كنفايات، وهو ما لا يمثل إهدارًا كبيرًا للموارد الطبيعية فحسب، بل يسبب أيضًا تلوثًا خطيرًا للبيئة.ولذلك، فإن تحقيق الاستفادة من الموارد من القش هو حاجة استراتيجية التنمية المستدامة للزراعة.

1. المواد والأساليب التجريبية

1.1 المواد والمعدات التجريبية

السليلوز القش، محلي الصنع في المختبر؛جي جي～خلاط كهربائي من النوع الأول، مصنع Jintan Guowang للأجهزة التجريبية؛نوع SHZW2C RS—مضخة فراغية، شركة Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.؛مقياس pHS-3C للأس الهيدروجيني، شركة Mettler-Toledo Co., Ltd.؛DGG-9070A فرن تجفيف بدرجة حرارة ثابتة للتدفئة الكهربائية، شركة Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.;هيتاشي-S ~ 3400N المجهر الإلكتروني الماسح، شركة هيتاشي إنسترومنتس؛الإيثانول.هيدروكسيد الصوديومحمض الكلوروسيتيك، وما إلى ذلك (الكواشف المذكورة أعلاه نقية من الناحية التحليلية).

1.2 الطريقة التجريبية

1.2.1 تحضير كربوكسي ميثيل السليلوز

(1) طريقة تحضير كربوكسي ميثيل السليلوز: قم بوزن 2 جرام من السليلوز في دورق ثلاثي الرقاب، وأضف 2.8 جرام من NaOH، و20 مل من محلول الإيثانول 75%، وانقعها في القلويات في حمام مائي بدرجة حرارة ثابتة عند 25 درجة مئوية.°ج لمدة 80 دقيقة.يقلب مع خلاط لدمج جيدا.خلال هذه العملية، يتفاعل السليلوز مع محلول قلوي ليشكل السليلوز القلوي.في مرحلة الأثير، أضف 10 مل من محلول الإيثانول 75% و3 جرام من حمض الكلوروسيتيك إلى الدورق ثلاثي الرقاب المتفاعل أعلاه، ارفع درجة الحرارة إلى 65-70° ج، والتفاعل لمدة 60 دقيقة.أضف القلويات للمرة الثانية، ثم أضف 0.6 جم NaOH إلى دورق التفاعل أعلاه للحفاظ على درجة الحرارة عند 70°C، وزمن التفاعل هو 40 دقيقة للحصول على Na الخام—CMC (كربوكسي ميثيل سلولوز الصوديوم).

التحييد والغسيل: أضف 1 مول·L-1 حمض الهيدروكلوريك، وتحييد التفاعل عند درجة حرارة الغرفة حتى الرقم الهيدروجيني = 7 ~ 8.ثم يغسل مرتين باستخدام 50% إيثانول، ثم يغسل مرة واحدة باستخدام 95% إيثانول، ويصفى بالشفط، ويجفف عند درجة حرارة 80-90.°ج لمدة 2 ساعة .

(2) تحديد درجة استبدال العينة: طريقة تحديد مقياس الحموضة: وزن 0.2 جم (دقيق إلى 0.1 مجم) من عينة Na-CMC المنقاة والمجففة، وحلها في 80 مل من الماء المقطر، وحركها كهرومغناطيسيًا لمدة 10 دقائق، واضبطها مع حمض أو قلوي، وبذلك يصل المحلول إلى الرقم الهيدروجيني للمحلول إلى 8. ثم عاير محلول الاختبار بمحلول حمض الكبريتيك القياسي في كوب مزود بقطب مقياس الرقم الهيدروجيني، ولاحظ إشارة مقياس الرقم الهيدروجيني أثناء المعايرة حتى يصل الرقم الهيدروجيني إلى الرقم الهيدروجيني. 3.74.لاحظ حجم المحلول القياسي لحمض الكبريتيك المستخدم.

1.2.2 طريقة اختبار العامل الواحد

(1) تأثير كمية القلويات على درجة استبدال كربوكسي ميثيل السليلوز: إجراء القلونة عند 25درجه مئوية، الغمر القلوي لمدة 80 دقيقة، التركيز في محلول الإيثانول هو 75٪، التحكم في كمية كاشف حمض أحادي كلورو أسيتيك 3 جرام، درجة حرارة الأثير هي 65 ~ 70°C، كان زمن الأثير 100 دقيقة، وتم تغيير كمية هيدروكسيد الصوديوم للاختبار.

(2) تأثير تركيز محلول الإيثانول على درجة إحلال كربوكسي ميثيل السليلوز: كمية القلويات الثابتة 3.2 جم، غمر قلوي في حمام مائي بدرجة حرارة ثابتة عند 25°C لمدة 80 دقيقة، تركيز محلول الإيثانول 75٪، يتم التحكم في كمية كاشف حمض أحادي كلورو أسيتيك عند 3 جرام، الأثير ودرجة الحرارة 65-70°C، وقت الأثير هو 100 دقيقة، ويتم تغيير تركيز محلول الإيثانول للتجربة.

(3) تأثير كمية حمض أحادي كلورو أسيتيك على درجة إحلال كربوكسي ميثيل السليلوز: تثبيت عند 25°C للقلوية، نقع في القلويات لمدة 80 دقيقة، أضف 3.2 جم من هيدروكسيد الصوديوم لجعل تركيز محلول الإيثانول 75٪، الأثير ودرجة الحرارة 65 ~ 70°ج، وقت الأثير هو 100 دقيقة، ويتم تغيير كمية حمض أحادي كلورو أسيتيك للتجربة.

(4) تأثير درجة حرارة الأثير على درجة استبدال كربوكسي ميثيل السليلوز: ثبت عند 25°C للقلوية، نقع في القلويات لمدة 80 دقيقة، أضف 3.2 جم من هيدروكسيد الصوديوم لجعل تركيز محلول الإيثانول 75٪، درجة حرارة الأثيرة درجة الحرارة 65 ~ 70درجه مئوية، زمن الأثير هو 100 دقيقة، ويتم تنفيذ التجربة عن طريق تغيير جرعة حمض أحادي كلورو أسيتيك.

(5) تأثير زمن الأثير على درجة استبدال كربوكسي ميثيل السليلوز: ثابت عند 25°C للقلونة، يضاف 3.2 جم من هيدروكسيد الصوديوم، وينقع في القلويات لمدة 80 دقيقة لجعل تركيز محلول الإيثانول 75٪، ويتم التحكم في أحادي الكلور. جرعة كاشف حمض الأسيتيك هي 3 جم، ودرجة حرارة الأثير هي 65 ~ 70°C، ويتم تغيير وقت الأثير للتجربة.

1.2.3 خطة اختبار وتحسين كربوكسي ميثيل السليلوز

على أساس تجربة العامل الواحد، تم تصميم تجربة الانحدار التربيعي الدوراني المتعامد مع أربعة عوامل وخمسة مستويات.العوامل الأربعة هي وقت الأثير، ودرجة حرارة الأثير، وكمية هيدروكسيد الصوديوم وكمية حمض أحادي كلورو أسيتيك.تم استخدام البرنامج الإحصائي SAS8.2 لمعالجة البيانات في معالجة البيانات، والذي يكشف العلاقة بين كل عامل مؤثر ودرجة استبدال كربوكسي ميثيل السليلوز.القانون الداخلي.

1.2.4 طريقة تحليل SEM

تم تثبيت عينة المسحوق المجفف على مرحلة العينة باستخدام غراء موصل، وبعد رش الذهب بالفراغ، تمت ملاحظتها وتصويرها تحت المجهر الإلكتروني الماسح من شركة Hitachi-S-3400N.

2. النتائج والتحليل

2.1 تأثير عامل واحد على درجة استبدال كربوكسي ميثيل السليلوز

2.1.1 تأثير كمية القلويات على درجة استبدال كربوكسي ميثيل السليلوز

عند إضافة NaOH3.2g إلى 2g سليلوز، كانت درجة استبدال المنتج هي الأعلى.يتم تقليل كمية NaOH، وهي ليست كافية لتشكيل معادلة السليلوز القلوي وعامل الأثير، والمنتج لديه درجة صغيرة من الاستبدال واللزوجة المنخفضة.على العكس من ذلك، إذا كانت كمية NaOH أكثر من اللازم، فإن التفاعلات الجانبية أثناء التحلل المائي لحمض الكلوروسيتيك ستزداد، وسيزداد استهلاك عامل الإثير، وستنخفض أيضًا لزوجة المنتج.

2.1.2 تأثير تركيز محلول الإيثانول على درجة استبدال كربوكسي ميثيل السليلوز

يوجد جزء من الماء الموجود في محلول الإيثانول في وسط التفاعل خارج السليلوز، والجزء الآخر موجود في السليلوز.إذا كان محتوى الماء كبيرًا جدًا، فسوف تنتفخ CMC في الماء لتشكل هلامًا أثناء الأثير، مما يؤدي إلى تفاعل غير متساوٍ للغاية؛إذا كان محتوى الماء صغيرًا جدًا، فسيكون من الصعب متابعة التفاعل بسبب عدم وجود وسط التفاعل.بشكل عام، 80٪ إيثانول هو المذيب الأكثر ملاءمة.

2.1.3 تأثير جرعة حمض أحادي كلورو أسيتيك على درجة إحلال كربوكسي ميثيل السليلوز

تكون كمية حمض أحادي كلورو أسيتيك وهيدروكسيد الصوديوم نظريًا 1:2، ولكن لتحريك التفاعل إلى اتجاه توليد CMC، تأكد من وجود قاعدة حرة مناسبة في نظام التفاعل، بحيث يمكن إجراء عملية كربوكسي ميثيل بسلاسة.لهذا السبب، تم اعتماد طريقة زيادة القلويات، أي أن النسبة المولية للمواد الحمضية والقلوية هي 1:2.2.

2.1.4 تأثير درجة حرارة الأثير على درجة استبدال كربوكسي ميثيل السليلوز

كلما ارتفعت درجة حرارة الأثير، كلما كان معدل التفاعل أسرع، ولكن التفاعلات الجانبية تتسارع أيضًا.من منظور التوازن الكيميائي، فإن ارتفاع درجة الحرارة غير مناسب لتكوين CMC، ولكن إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا، يكون معدل التفاعل بطيئًا ومعدل استخدام عامل الإثير منخفضًا.يمكن ملاحظة أن درجة الحرارة المثلى للإيثر هي 70°C.

2.1.5 تأثير زمن الأثير على درجة استبدال كربوكسي ميثيل السليلوز

مع زيادة زمن الأثير، تزداد درجة إحلال CMC، وتتسارع سرعة التفاعل، ولكن بعد فترة زمنية معينة، تزيد التفاعلات الجانبية وتقل درجة الإحلال.عندما يكون وقت الأثير 100 دقيقة، تكون درجة الاستبدال هي الحد الأقصى.

2.2 نتائج الاختبار المتعامد وتحليل مجموعات الكربوكسيميثيل

يتبين من جدول تحليل التباين أنه في العنصر الأساسي، فإن العوامل الأربعة لزمن الأثير ودرجة حرارة الأثير وكمية NaOH وكمية حمض أحادي كلورو أسيتيك لها تأثير كبير جدًا على درجة إحلال كربوكسي ميثيل السليلوز (ع). <0.01) .ومن بين عناصر التفاعل كان لعناصر التفاعل زمن الأثير وكمية حمض أحادي كلورو أسيتيك، وعناصر التفاعل لدرجة حرارة الأثير وكمية حمض أحادي كلورو أسيتيك تأثير معنوي جداً على درجة إحلال كربوكسي ميثيل السليلوز (p<0.01).كان ترتيب تأثير العوامل المختلفة على درجة استبدال كربوكسي ميثيل السليلوز: درجة حرارة الأثير> كمية حمض أحادي كلورو أسيتيك> زمن الأثير> كمية NaOH.

بعد تحليل نتائج اختبار تصميم تركيبة الدوران المتعامد للانحدار التربيعي، يمكن تحديد أن ظروف العملية المثالية لتعديل كربوكسي ميثيل هي: وقت الأثير 100 دقيقة، درجة حرارة الأثير 70درجه مئوية، جرعة NaOH 3.2 جم وحمض أحادي كلورو أسيتيك الجرعة 3.0 جم والحد الأقصى لدرجة الاستبدال 0.53.

2.3 توصيف الأداء المجهري

تمت دراسة الشكل السطحي لجزيئات السليلوز، كربوكسي ميثيل السليلوز وجزيئات السليلوز كربوكسي ميثيل المتصالبة عن طريق المجهر الإلكتروني الماسح.ينمو السليلوز على شكل شريط ذو سطح أملس؛تكون حافة كربوكسي ميثيل السليلوز أكثر خشونة من حافة السليلوز المستخرج، ويزداد هيكل التجويف ويصبح الحجم أكبر.وذلك لأن بنية الحزمة تصبح أكبر بسبب تورم كربوكسي ميثيل السليلوز.

3 - الخلاصة

3.1 تحضير السليلوز الأثيري الكربوكسيميثيل ترتيب أهمية العوامل الأربعة التي تؤثر على درجة إحلال السليلوز هو: درجة حرارة الأثير > جرعة حمض أحادي كلورو أسيتيك > زمن الأثير > جرعة NaOH.ظروف العملية المثلى لتعديل كربوكسي ميثيل هي زمن الأثير 100 دقيقة، ودرجة حرارة الأثير 70درجه مئوية، جرعة NaOH 3.2 جم، جرعة حمض أحادي كلورو أسيتيك 3.0 جم، ودرجة الإحلال القصوى 0.53.

3.2 الظروف التكنولوجية المثالية لتعديل كربوكسي ميثيل هي: زمن الأثير 100 دقيقة، درجة حرارة الأثير 70درجه مئوية، جرعة NaOH 3.2 جم، جرعة حمض أحادي كلورو أسيتيك 3.0 جم، أقصى درجة استبدال 0.53.