تخليق وتوصيف مُختزل الماء من إيثر السليلوز سلفونات البيوتان

استُخدم السليلوز الميكروكريستالي (MCC) ذو درجة بلمرة محددة، والمُستخلص من التحلل المائي الحمضي لعجينة القطن السليلوزية، كمادة خام. وباستخدام هيدروكسيد الصوديوم، تم تفاعله مع 1،4-بيوتان سلتون (BS) للحصول على مُخفِّض للماء من سليلوز بوتيل سلفونات (SBC) يتميز بذوبانية جيدة في الماء. وتم توصيف بنية المنتج باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء (FT-IR)، ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وحيود الأشعة السينية (XRD)، وغيرها من الطرق التحليلية. كما دُرست درجة البلمرة، ونسبة المواد الخام، وتفاعل السليلوز الميكروكريستالي. وتمت دراسة تأثير ظروف عملية التخليق، مثل درجة الحرارة، وزمن التفاعل، ونوع عامل التعليق، على أداء المنتج في تقليل الماء. تُظهر النتائج أنه عندما تكون درجة بلمرة المادة الخام MCC هي 45، فإن النسبة الوزنية للمتفاعلات هي: AGU (وحدة غلوكوزيد السليلوز): n (هيدروكسيد الصوديوم): n (BS) = 1.0: 2.1: 2.2، وعامل التعليق هو الإيزوبروبانول، ووقت تنشيط المادة الخام عند درجة حرارة الغرفة هو ساعتان، ووقت تصنيع المنتج هو 5 ساعات. عند درجة حرارة 80 درجة مئوية، يتميز المنتج الناتج بأعلى درجة استبدال لمجموعات حمض البوتان سلفونيك، ويتمتع بأفضل أداء في تقليل الماء.

الكلمات المفتاحية:السليلوز؛ بوتيل سلفونات السليلوز؛ عامل مخفض للماء؛ أداء مخفض للماء

1、مقدمة

يُعدّ الملدّن الفائق للخرسانة أحد المكونات الأساسية للخرسانة الحديثة. وبفضل ظهور عوامل تقليل الماء، يُمكن ضمان سهولة تشغيل الخرسانة ومتانتها العالية، بل وحتى قوتها العالية. تشمل فئات مُخفّضات الماء عالية الكفاءة الشائعة الاستخدام حاليًا ما يلي: مُخفّض الماء القائم على النفثالين (SNF)، ومُخفّض الماء القائم على راتنج الميلامين المُسلفن (SMF)، ومُخفّض الماء القائم على السلفامات (ASP)، والملدّن الفائق المُعدّل من الليغنوسلفونات (ML)، والملدّن الفائق من البولي كربوكسيلات (PC)، والذي يخضع حاليًا لبحوث مكثفة. عند تحليل عملية تصنيع مُخفّضات الماء، نجد أن معظم مُخفّضات الماء التقليدية المُستخدمة سابقًا تعتمد على الفورمالديهايد ذي الرائحة النفاذة القوية كمادة خام لتفاعل التكثيف، وتُجرى عملية السلفنة عادةً باستخدام حمض الكبريتيك المُدخن أو حمض الكبريتيك المركز عالي التآكل. سيؤدي هذا حتماً إلى آثار سلبية على العمال والبيئة المحيطة، كما سينتج عنه كميات كبيرة من المخلفات السائلة، مما لا يُسهم في التنمية المستدامة. ومع ذلك، فرغم مزايا مُخفِّضات الماء من البولي كاربوكسيلات، مثل انخفاض فقدان الخرسانة بمرور الوقت، وانخفاض الجرعة، وسيولة جيدة، وكثافة عالية، وخلوها من المواد السامة كالفورمالديهايد، إلا أن ارتفاع سعرها يُصعِّب انتشارها في الصين. وبتحليل مصادر المواد الخام، يتضح أن معظم مُخفِّضات الماء المذكورة تُصنَّع من منتجات/مُشتقات بتروكيماوية، في حين أن البترول، كمورد غير متجدد، يزداد ندرةً ويرتفع سعره باستمرار. لذا، يُعدّ استخدام الموارد الطبيعية المتجددة الرخيصة والوفيرة كمواد خام لتطوير مُلدِّنات فائقة جديدة عالية الأداء للخرسانة اتجاهاً بحثياً هاماً في هذا المجال.

السليلوز جزيء ضخم خطي يتكون من ارتباط العديد من جزيئات D-جلوكوبيرانوز بروابط جليكوسيدية β-(1-4). تحتوي كل حلقة جلوكوبيرانوزيل على ثلاث مجموعات هيدروكسيل. يمكن الحصول على تفاعلية معينة من خلال المعالجة المناسبة. في هذه الدراسة، استُخدم لب القطن السليلوزي كمادة خام أولية، وبعد التحلل المائي الحمضي للحصول على سليلوز دقيق التبلور بدرجة بلمرة مناسبة، تم تنشيطه باستخدام هيدروكسيد الصوديوم وتفاعله مع 1،4-بيوتان سلتون لتحضير مُلدِّن فائق من إيثر السليلوز الحمضي بوتيل سلفونات، ونوقشت العوامل المؤثرة في كل تفاعل.

2. التجربة

2.1 المواد الخام

لب القطن السليلوزي، درجة البلمرة 576، شركة شينجيانغ أويانغ للتكنولوجيا المحدودة؛ 1،4-بيوتان سلتون (BS)، درجة صناعية، من إنتاج شركة شنغهاي جياشن للمواد الكيميائية المحدودة؛ أسمنت بورتلاند عادي 52.5R، أورومتشي مقدم من مصنع الأسمنت؛ رمل معياري صيني ISO، من إنتاج شركة شيامن إيس أو ستاندرد ساند المحدودة؛ هيدروكسيد الصوديوم، حمض الهيدروكلوريك، إيزوبروبانول، ميثانول لا مائي، أسيتات الإيثيل، ن-بيوتانول، إيثر البترول، إلخ، جميعها نقية تحليليًا ومتوفرة تجاريًا.

2.2 الطريقة التجريبية

يُوزن مقدار معين من لب القطن ويُطحن جيدًا، ثم يُوضع في زجاجة ثلاثية العنق، ويُضاف إليه تركيز معين من حمض الهيدروكلوريك المخفف، ويُحرك لتسخينه وتحلله مائيًا لفترة زمنية محددة، ثم يُبرد إلى درجة حرارة الغرفة، ويُرشح، ويُغسل بالماء حتى يصبح متعادلًا، ويُجفف بالتفريغ عند 50 درجة مئوية للحصول على مواد السليلوز الميكروكريستالية الخام بدرجات بلمرة مختلفة. تُقاس درجة بلمرتها وفقًا للمراجع، ثم توضع في زجاجة تفاعل ثلاثية العنق، وتُعلق بعامل تعليق يعادل 10 أضعاف كتلتها، ويُضاف إليها مقدار معين من محلول هيدروكسيد الصوديوم المائي مع التحريك، ويُحرك المزيج ويُنشط عند درجة حرارة الغرفة لفترة زمنية محددة، ثم تُضاف الكمية المحسوبة من 1،4-بيوتان سلتون (BS)، ويُسخن المزيج إلى درجة حرارة التفاعل، ويُترك ليتفاعل عند درجة حرارة ثابتة لفترة زمنية محددة، ثم يُبرد المنتج إلى درجة حرارة الغرفة، ويُحصل على المنتج الخام عن طريق الترشيح بالشفط. اشطف بالماء والميثانول 3 مرات، وقم بالترشيح بالشفط للحصول على المنتج النهائي، وهو مخفض الماء من بوتيل سلفونات السليلوز (SBC).

2.3 تحليل المنتج وتوصيفه

2.3.1 تحديد محتوى الكبريت في المنتج وحساب درجة الاستبدال

تم استخدام جهاز التحليل العنصري FLASHEA-PE2400 لإجراء تحليل عنصري على منتج مخفض الماء من السليلوز بوتيل سلفونات المجفف لتحديد محتوى الكبريت.

2.3.2 تحديد سيولة الملاط

تم القياس وفقًا للبند 6.5 من المواصفة القياسية GB8076-2008. أي، يتم أولًا قياس خليط الماء/الأسمنت/الرمل القياسي على جهاز اختبار سيولة ملاط ​​الأسمنت NLD-3 عندما يكون قطر التمدد (180±2) مم. يُقاس استهلاك الماء المرجعي المقاس (230 جم) باستخدام الأسمنت، ثم يُضاف عامل مخفض للماء بنسبة 1% من كتلة الأسمنت إلى الماء، وفقًا للنسب التالية: أسمنت/عامل مخفض للماء/ماء قياسي/رمل قياسي = 450 جم/4.5 جم/230 جم/ 1350 جم. يُوضع الخليط في خلاط ملاط ​​الأسمنت JJ-5 ويُخلط جيدًا، ثم يُقاس قطر تمدد الملاط على جهاز اختبار سيولة الملاط، وهو ما يمثل سيولة الملاط المقاسة.

2.3.3 توصيف المنتج

تم توصيف العينة باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه من نوع EQUINOX 55 من شركة Bruker؛ وتم توصيف طيف الرنين المغناطيسي النووي للبروتون للعينة باستخدام جهاز الرنين المغناطيسي النووي فائق التوصيل INOVA ZAB-HS من شركة Varian؛ وتمت ملاحظة مورفولوجيا المنتج تحت المجهر؛ وتم إجراء تحليل حيود الأشعة السينية على العينة باستخدام مطياف حيود الأشعة السينية من شركة MAC M18XHF22-SRA.

3. النتائج والمناقشة

3.1 نتائج التوصيف

3.1.1 نتائج توصيف FT-IR

أُجري تحليل بالأشعة تحت الحمراء على السليلوز الميكروكريستالي الخام بدرجة بلمرة Dp=45، وعلى المنتج SBC المُصنّع من هذه المادة الخام. ونظرًا لضعف قمم امتصاص SC وSH، فهي غير مناسبة للتحديد، بينما تُظهر S=O قمة امتصاص قوية. لذا، يُمكن تحديد وجود مجموعة حمض السلفونيك في التركيب الجزيئي من خلال تأكيد وجود قمة S=O. ومن الواضح في طيف السليلوز وجود قمة امتصاص قوية عند العدد الموجي 3344 سم⁻¹، تُعزى إلى قمة اهتزاز تمدد مجموعة الهيدروكسيل في السليلوز؛ أما قمة الامتصاص الأقوى عند العدد الموجي 2923 سم⁻¹ فهي قمة اهتزاز تمدد مجموعة الميثيلين (-CH₂). تعكس سلسلة الحزم المكونة من 1031 و1051 و1114 و1165 سم⁻¹ ذروة امتصاص اهتزاز تمدد مجموعة الهيدروكسيل وذروة امتصاص اهتزاز انحناء رابطة الإيثر (COC). ويعكس العدد الموجي 1646 سم⁻¹ ذروة امتصاص الرابطة الهيدروجينية المتكونة من الهيدروكسيل والماء الحر. وتشير الحزمة من 1432 إلى 1318 سم⁻¹ إلى وجود بنية بلورية للسليلوز. في طيف الأشعة تحت الحمراء لـ SBC، تضعف شدة الحزمة من 1432 إلى 1318 سم⁻¹، بينما تزداد شدة ذروة الامتصاص عند 1653 سم⁻¹، مما يدل على تعزيز القدرة على تكوين روابط هيدروجينية. وتظهر ذروتا امتصاص أقوى عند 1040 و605 سم⁻¹، وهما غير موجودتين في طيف الأشعة تحت الحمراء للسليلوز، فالأولى هي ذروة الامتصاص المميزة لرابطة S=O، والثانية هي ذروة الامتصاص المميزة لرابطة SO. بناءً على التحليل أعلاه، يمكن ملاحظة أنه بعد تفاعل الأثير للسليلوز، توجد مجموعات حمض السلفونيك في سلسلته الجزيئية.

3.1.2 نتائج توصيف الرنين النووي المغناطيسي للبروتون

يمكن ملاحظة طيف الرنين النووي المغناطيسي للبروتون (H NMR) لسلفونات بوتيل السليلوز: ضمن النطاق γ=1.74~2.92، يوجد الانزياح الكيميائي لبروتون الهيدروجين في مجموعة السيكلوبوتيل، وضمن النطاق γ=3.33~4.52، يوجد الانزياح الكيميائي لبروتون الأكسجين في وحدة أنهيدروغلوكوز السليلوز. أما الانزياح الكيميائي لبروتون الأكسجين في النطاق γ=4.52~6، فهو الانزياح الكيميائي لبروتون الميثيلين في مجموعة حمض البوتيل سلفونيك المرتبطة بالأكسجين. ولا توجد قمة عند النطاق γ=6~7، مما يشير إلى أن الناتج ليس بروتونات أخرى.

3.1.3 نتائج توصيف المجهر الإلكتروني الماسح

فحص لُب القطن السليلوزي، والسليلوز الميكروكريستالي، ومنتج بوتيل سلفونات السليلوز باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح. أظهر تحليل نتائج المجهر الإلكتروني الماسح للُب القطن السليلوزي، والسليلوز الميكروكريستالي، ومنتج بوتيل سلفونات السليلوز (SBC)، أن السليلوز الميكروكريستالي الناتج عن التحلل المائي باستخدام حمض الهيدروكلوريك يُغير بشكل ملحوظ بنية ألياف السليلوز. فقد تَهدمت البنية الليفية، وتكونت جزيئات سليلوز متكتلة دقيقة. أما منتج بوتيل سلفونات السليلوز (SBC) الناتج عن تفاعله مع BS، فقد افتقر إلى البنية الليفية، وتحول بشكل أساسي إلى بنية غير متبلورة، مما يُسهل ذوبانه في الماء.

3.1.4 نتائج توصيف حيود الأشعة السينية

تشير بلورية السليلوز ومشتقاته إلى النسبة المئوية للمنطقة البلورية المكونة من وحدة السليلوز في المجمل. عند تفاعل السليلوز ومشتقاته كيميائيًا، تتفكك الروابط الهيدروجينية داخل الجزيء وبين الجزيئات، وتتحول المنطقة البلورية إلى منطقة غير متبلورة، مما يقلل من بلوريتها. لذا، يُعد التغير في البلورية قبل التفاعل وبعده أحد معايير مشاركة السليلوز في التفاعل. أُجري تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) على السليلوز الميكروكريستالي ومنتج بوتان سلفونات السليلوز. وبالمقارنة، يتضح أن البلورية تتغير جذريًا بعد عملية الأسترة، ويتحول المنتج بالكامل إلى بنية غير متبلورة، مما يجعله قابلًا للذوبان في الماء.

3.2 تأثير درجة بلمرة المواد الخام على أداء المنتج في تقليل الماء

تعكس سيولة الملاط بشكل مباشر فعالية المنتج في تقليل الماء، ويُعدّ محتوى الكبريت في المنتج أحد أهم العوامل المؤثرة على سيولة الملاط. وتُقاس فعالية المنتج في تقليل الماء من خلال سيولة الملاط.

بعد تغيير ظروف تفاعل التحلل المائي لتحضير MCC بدرجات بلمرة مختلفة، وفقًا للطريقة المذكورة أعلاه، يتم اختيار عملية تركيب معينة لتحضير منتجات SBC، وقياس محتوى الكبريت لحساب درجة استبدال المنتج، وإضافة منتجات SBC إلى نظام خلط الماء/الأسمنت/الرمل القياسي، وقياس سيولة الملاط.

يتضح من النتائج التجريبية أنه ضمن نطاق البحث، عندما تكون درجة بلمرة المادة الخام من السليلوز الميكروكريستالي عالية، يكون محتوى الكبريت (درجة الاستبدال) في المنتج وسيولة الملاط منخفضين. ويعود ذلك إلى صغر الوزن الجزيئي للمادة الخام، مما يُسهم في تجانس خلطها واختراق عامل الأثير، وبالتالي تحسين درجة أثيرية المنتج. مع ذلك، لا يرتفع معدل انخفاض الماء في المنتج بشكل خطي مع انخفاض درجة بلمرة المواد الخام. تُظهر النتائج التجريبية أن سيولة خليط ملاط ​​الأسمنت المخلوط بـ SBC المُحضر باستخدام السليلوز الميكروكريستالي بدرجة بلمرة Dp<96 (وزن جزيئي<15552) أكبر من 180 مم (وهي أكبر من سيولة الملاط بدون عامل خفض الماء، وهي قيمة مرجعية)، مما يدل على إمكانية تحضير SBC باستخدام السليلوز بوزن جزيئي أقل من 15552، والحصول على معدل معين لخفض الماء. يُحضّر مُلدّن الخرسانة فائق النعومة (SBC) باستخدام السليلوز الميكروكريستالي بدرجة بلمرة 45 (الوزن الجزيئي: 7290)، وعند إضافته إلى خليط الخرسانة، تكون سيولة الملاط المقاسة هي الأعلى، لذا يُعتبر السليلوز ذو درجة البلمرة 45 تقريبًا هو الأنسب لتحضير مُلدّن الخرسانة فائق النعومة. عندما تتجاوز درجة بلمرة المواد الخام 45، تنخفض سيولة الملاط تدريجيًا، مما يعني انخفاض معدل تقليل الماء. ويعود ذلك إلى أنه مع ازدياد الوزن الجزيئي، تزداد لزوجة نظام الخليط، ويتدهور تجانس تشتت الأسمنت، ويصبح التشتت في الخرسانة بطيئًا، مما يؤثر على فعالية التشتت. من جهة أخرى، عندما يكون الوزن الجزيئي كبيرًا، تتخذ جزيئات المُلدّن الفائق شكلًا لولبيًا عشوائيًا، مما يُصعّب امتصاصها على سطح جزيئات الأسمنت. لكن عندما تقل درجة بلمرة المادة الخام عن 45، ورغم ارتفاع محتوى الكبريت (درجة الاستبدال) في المنتج، تبدأ سيولة خليط الملاط بالتناقص، وإن كان هذا التناقص طفيفًا. والسبب هو أنه عندما يكون الوزن الجزيئي لعامل تخفيض الماء منخفضًا، ورغم سهولة انتشاره الجزيئي وقدرته الجيدة على التبلل، إلا أن قوة امتصاصه أكبر من قوة امتصاص جزيئات الماء الأخرى، وسلسلة نقل الماء قصيرة جدًا، والاحتكاك بين الجزيئات كبير، مما يضر بالخرسانة. كما أن تأثير التشتيت ليس بجودة تأثير عامل تخفيض الماء ذي الوزن الجزيئي الأعلى. لذا، من الأهمية بمكان التحكم بدقة في الوزن الجزيئي لطبقة السليلوز لتحسين أداء عامل تخفيض الماء.

3.3 تأثير ظروف التفاعل على أداء المنتج في تقليل الماء

وقد تبين من خلال التجارب أنه بالإضافة إلى درجة بلمرة MCC، فإن نسبة المواد المتفاعلة، ودرجة حرارة التفاعل، وتنشيط المواد الخام، ووقت تصنيع المنتج، ونوع عامل التعليق كلها تؤثر على أداء المنتج في تقليل الماء.

3.3.1 نسبة المتفاعلات

(1) جرعة BS

في ظل الظروف المحددة بواسطة معلمات العملية الأخرى (درجة بلمرة MCC هي 45، n(MCC):n(NaOH)=1:2.1، عامل التعليق هو الأيزوبروبانول، وقت تنشيط السليلوز في درجة حرارة الغرفة هو 2 ساعة، درجة حرارة التخليق هي 80 درجة مئوية، ووقت التخليق 5 ساعات)، لدراسة تأثير كمية عامل الأثير 1،4-بيوتان سلتون (BS) على درجة استبدال مجموعات حمض البيوتان سلفونيك للمنتج وسيولة الملاط.

يُلاحظ أنه مع زيادة كمية BS، تزداد درجة استبدال مجموعات حمض البوتان سلفونيك وسيولة الملاط بشكل ملحوظ. وعندما تصل نسبة BS إلى MCC إلى 2.2:1، تصل سيولة الملاط إلى أقصى قيمة لها، ويُعتبر أداء تقليل الماء في هذه الحالة في أفضل حالاته. ومع استمرار زيادة قيمة BS، تبدأ كل من درجة الاستبدال وسيولة الملاط بالتناقص. ويعود ذلك إلى أن BS، عند زيادته عن الحد المسموح، يتفاعل مع هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) مُنتجًا HO-(CH2)4SO3Na. لذا، تُحدد هذه الدراسة النسبة المثلى لمادة BS إلى MCC عند 2.2:1.

(2) جرعة هيدروكسيد الصوديوم

في ظل الظروف المحددة بواسطة معايير العملية الأخرى (درجة بلمرة MCC هي 45، n(BS):n(MCC)=2.2:1. عامل التعليق هو الأيزوبروبانول، وقت تنشيط السليلوز عند درجة حرارة الغرفة هو ساعتان، درجة حرارة التخليق هي 80 درجة مئوية، ووقت التخليق هو 5 ساعات)، لدراسة تأثير كمية هيدروكسيد الصوديوم على درجة استبدال مجموعات حمض البوتان سلفونيك في المنتج وسيولة الملاط.

يُلاحظ أنه مع زيادة كمية الاختزال، ترتفع درجة استبدال SBC بسرعة، ثم تبدأ بالتناقص بعد بلوغها أعلى قيمة. ويعود ذلك إلى أنه عند ارتفاع تركيز هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، يزداد عدد القواعد الحرة في النظام، مما يزيد من احتمالية حدوث تفاعلات جانبية، وبالتالي مشاركة المزيد من عوامل الأسترة (BS) في هذه التفاعلات، مما يقلل من درجة استبدال مجموعات حمض السلفونيك في المنتج. عند درجات حرارة أعلى، يؤدي وجود كمية كبيرة من هيدروكسيد الصوديوم إلى تحلل السليلوز، مما يؤثر على قدرة المنتج على اختزال الماء عند درجة بلمرة منخفضة. ووفقًا للنتائج التجريبية، تكون درجة الاستبدال في أعلى مستوياتها عندما تكون النسبة المولية لهيدروكسيد الصوديوم إلى السليلوز البلوري الدقيق (MCC) حوالي 2.1، لذا تُحدد هذه الدراسة النسبة المولية المثلى لهيدروكسيد الصوديوم إلى السليلوز البلوري الدقيق (MCC) وهي 2.1:1.0.

3.3.2 تأثير درجة حرارة التفاعل على أداء المنتج في تقليل الماء

في ظل الظروف المحددة بواسطة معايير العملية الأخرى (درجة بلمرة MCC هي 45، n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2.1:2.2، عامل التعليق هو الأيزوبروبانول، ووقت تنشيط السليلوز عند درجة حرارة الغرفة هو ساعتان. الوقت 5 ساعات)، تم دراسة تأثير درجة حرارة تفاعل التخليق على درجة استبدال مجموعات حمض البوتان سلفونيك في المنتج.

يُلاحظ أنه مع ارتفاع درجة حرارة التفاعل، تزداد درجة استبدال حمض السلفونيك (DS) في SBC تدريجيًا، ولكن عندما تتجاوز درجة حرارة التفاعل 80 درجة مئوية، تبدأ DS بالانخفاض. يُعد تفاعل الإيثرة بين 1،4-بيوتان سلتون والسليلوز تفاعلًا ماصًا للحرارة، ورفع درجة حرارة التفاعل يُفيد التفاعل بين عامل الإيثرة ومجموعة الهيدروكسيل في السليلوز، ولكن مع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد تأثير هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) على السليلوز تدريجيًا، مما يؤدي إلى تحلل السليلوز وانفصاله، وبالتالي انخفاض وزنه الجزيئي وتكوين سكريات صغيرة. يتفاعل هذا النوع من السكريات الصغيرة بسهولة نسبية مع عوامل الإيثرة، مما يؤدي إلى استهلاك كمية أكبر من هذه العوامل، وبالتالي التأثير على درجة استبدال المنتج. لذلك، تُشير هذه الأطروحة إلى أن درجة حرارة التفاعل الأمثل لتفاعل الإيثرة بين BS والسليلوز هي 80 درجة مئوية.

3.3.3 تأثير زمن التفاعل على أداء المنتج في تقليل الماء

ينقسم وقت التفاعل إلى تنشيط المواد الخام في درجة حرارة الغرفة ووقت تصنيع المنتجات في درجة حرارة ثابتة.

(1) وقت تنشيط المواد الخام في درجة حرارة الغرفة

في ظل ظروف العملية المثلى المذكورة أعلاه (درجة بلمرة MCC هي 45، n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2.1:2.2، عامل التعليق هو الأيزوبروبانول، درجة حرارة تفاعل التخليق هي 80 درجة مئوية، وقت تخليق المنتج عند درجة حرارة ثابتة هو 5 ساعات)، قم بدراسة تأثير وقت التنشيط عند درجة حرارة الغرفة على درجة استبدال مجموعة حمض البوتان سلفونيك في المنتج.

يُلاحظ أن درجة استبدال مجموعة حمض البوتان سلفونيك في المنتج SBC تزداد أولًا ثم تنخفض مع زيادة مدة التنشيط. قد يعود سبب هذا التحليل إلى أن زيادة مدة تفاعل هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) تؤدي إلى تدهور السليلوز بشكل كبير، مما يُقلل من وزنه الجزيئي ويُنتج سكريات صغيرة. يتفاعل هذا النوع من السكريات الصغيرة بسهولة نسبية مع عوامل الإيثرة، مما يؤدي إلى استهلاك كميات أكبر من هذه العوامل، وبالتالي التأثير على درجة استبدال المنتج. لذلك، تفترض هذه الدراسة أن مدة تنشيط المواد الخام عند درجة حرارة الغرفة هي ساعتان.

(2) وقت تصنيع المنتج

في ظل ظروف العملية المثلى المذكورة أعلاه، دُرست تأثيرات زمن التنشيط عند درجة حرارة الغرفة على درجة استبدال مجموعة حمض البوتان سلفونيك في المنتج. لوحظ أنه مع زيادة زمن التفاعل، تزداد درجة الاستبدال في البداية، ولكن عند بلوغ زمن التفاعل 5 ساعات، تبدأ درجة الاستبدال بالانخفاض. ويعود ذلك إلى وجود قاعدة حرة في تفاعل إيثرة السليلوز. عند درجات حرارة أعلى، تؤدي زيادة زمن التفاعل إلى زيادة درجة التحلل القلوي للسليلوز، وتقصير السلسلة الجزيئية للسليلوز، وانخفاض الوزن الجزيئي للمنتج، وزيادة التفاعلات الجانبية، مما ينتج عنه انخفاض في درجة الاستبدال. في هذه التجربة، كان زمن التخليق الأمثل 5 ساعات.

3.3.4 تأثير نوع عامل التعليق على أداء المنتج في تقليل الماء

في ظل ظروف العملية المثلى (درجة بلمرة MCC هي 45، n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2.1:2.2، وقت تنشيط المواد الخام في درجة حرارة الغرفة هو 2 ساعة، وقت تخليق المنتجات عند درجة حرارة ثابتة هو 5 ساعات، ودرجة حرارة تفاعل التخليق 80 درجة مئوية)، يتم اختيار كل من الإيزوبروبانول والإيثانول و n-بيوتانول وأسيتات الإيثيل وإيثر البترول كعوامل تعليق، ومناقشة تأثيرها على أداء المنتج في تقليل الماء.

من الواضح أنه يمكن استخدام كل من الإيزوبروبانول، والبيوتانول العادي، وأسيتات الإيثيل كعوامل تعليق في تفاعل الإيثرة هذا. إضافةً إلى تشتيت المواد المتفاعلة، يُمكن لعامل التعليق التحكم في درجة حرارة التفاعل. تبلغ درجة غليان الإيزوبروبانول 82.3 درجة مئوية، لذا يُستخدم كعامل تعليق، مما يسمح بالتحكم في درجة حرارة النظام بالقرب من درجة حرارة التفاعل المثلى، وبالتالي تكون درجة استبدال مجموعات حمض البيوتان سلفونيك في المنتج وسيولة الملاط عالية نسبيًا. أما الإيثانول، فنظرًا لارتفاع درجة غليانه، فإن درجة حرارة التفاعل لا تفي بالمتطلبات، مما يؤدي إلى انخفاض درجة استبدال مجموعات حمض البيوتان سلفونيك في المنتج وسيولة الملاط. كما أن إيثر البترول قد يشارك في التفاعل، مما يمنع الحصول على منتج مُشتت.

4. الخاتمة

(1) باستخدام لب القطن كمادة خام أولية،السليلوز الميكروكريستالي (MCC)تم تحضير مادة ذات درجة بلمرة مناسبة، وتنشيطها بواسطة هيدروكسيد الصوديوم، ثم تفاعلت مع 1،4-بيوتان سلتون لتحضير إيثر السليلوز بوتيل سلفونيك أسيد القابل للذوبان في الماء، أي مُخفِّض الماء القائم على السليلوز. تم تحديد بنية المنتج، ووجد أنه بعد تفاعل إيثرة السليلوز، توجد مجموعات حمض السلفونيك على سلسلته الجزيئية، والتي تحولت إلى بنية غير متبلورة، وأن مُخفِّض الماء الناتج يتمتع بذوبانية جيدة في الماء.

(2) أظهرت التجارب أن أفضل أداء لتقليل الماء للمنتج الناتج يكون عند درجة بلمرة السليلوز الميكروكريستالي 45؛ وذلك عند تحديد درجة بلمرة المواد الخام، ونسبة المواد المتفاعلة n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2.1:2.2، ووقت تنشيط المواد الخام عند درجة حرارة الغرفة ساعتين، ودرجة حرارة تصنيع المنتج 80 درجة مئوية، ووقت التصنيع 5 ساعات. ويكون أداء تقليل الماء مثاليًا.