CMC-Cellulose und ihre Strukturcharakterisierung

Als Rohstoff wurde Strohzellulose verwendet, die durch Veretherung modifiziert wurde.Durch den Einzelfaktor- und Rotationstest wurden die optimalen Bedingungen für die Herstellung von Carboxymethylcellulose wie folgt ermittelt: Veretherungszeit 100 Minuten, Veretherungstemperatur 70℃, NaOH-Dosierung 3,2 g und Monochloressigsäure-Dosierung 3,0 g, der maximale Substitutionsgrad beträgt 0,53.

Schlüsselwörter: CMCZellulose;Monochloressigsäure;Veretherung;Änderung

Carboxymethylcelluloseist der meistproduzierte und verkaufte Celluloseether der Welt.Es ist weit verbreitet in den Bereichen Waschmittel, Lebensmittel, Zahnpasta, Textilien, Druck und Färberei, Papierherstellung, Erdöl, Bergbau, Medizin, Keramik, elektronische Komponenten, Gummi, Farben, Pestizide, Kosmetika, Leder, Kunststoffe und Ölbohrungen usw. bekannt als „industrielles Mononatriumglutamat“.Carboxymethylcellulose ist ein wasserlösliches Celluloseetherderivat, das durch chemische Modifizierung natürlicher Cellulose gewonnen wird.Zellulose, der Hauptrohstoff für die Herstellung von Carboxymethylzellulose, ist mit einer jährlichen Produktion von Hunderten Milliarden Tonnen eine der am häufigsten vorkommenden natürlichen erneuerbaren Ressourcen auf der Erde.Mein Land ist ein großes Agrarland und eines der Länder mit den größten Strohressourcen.Stroh war schon immer einer der wichtigsten Brennstoffe für die ländliche Bevölkerung.Diese Ressourcen wurden schon lange nicht mehr sinnvoll erschlossen und jedes Jahr werden weltweit weniger als 2 % der land- und forstwirtschaftlichen Abfälle wie Stroh verwendet.Reis ist die wichtigste Wirtschaftspflanze in der Provinz Heilongjiang mit einer Anbaufläche von mehr als 2 Millionen Kubikmetern, einer jährlichen Produktion von 14 Millionen Tonnen Reis und 11 Millionen Tonnen Stroh.Landwirte verbrennen sie in der Regel direkt auf dem Feld als Abfall, was nicht nur eine enorme Verschwendung natürlicher Ressourcen darstellt, sondern auch eine erhebliche Umweltverschmutzung verursacht.Daher ist die Verwirklichung der Ressourcennutzung von Stroh die Notwendigkeit der nachhaltigen Entwicklungsstrategie der Landwirtschaft.

1. Experimentelle Materialien und Methoden

1.1 Experimentelle Materialien und Ausrüstung

Strohzellulose, selbst hergestellt im Labor;JJ～1 Typ Elektromixer, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory;SHZW2C Typ RS—Eine Vakuumpumpe, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.;pHS-3C pH-Meter, Mettler-Toledo Co., Ltd.;DGG-9070A elektrischer Heiz-Trockenofen mit konstanter Temperatur, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.;HITACHI-S ~ 3400N Rasterelektronenmikroskop, Hitachi Instruments;Ethanol;Natriumhydroxid;Chloressigsäure usw. (die oben genannten Reagenzien sind analytisch rein).

1.2 Experimentelle Methode

1.2.1 Herstellung von Carboxymethylcellulose

(1) Die Herstellungsmethode von Carboxymethylcellulose: 2 g Cellulose in einen Dreihalskolben einwiegen, 2,8 g NaOH und 20 ml 75 %ige Ethanollösung hinzufügen und in einem Wasserbad mit konstanter Temperatur bei 25 °C in Alkali einweichen°C für 80 Min.Mit einem Mixer gut umrühren.Bei diesem Prozess reagiert Zellulose mit alkalischer Lösung zu Alkalizellulose.Geben Sie in der Veretherungsstufe 10 ml 75 %ige Ethanollösung und 3 g Chloressigsäure in den oben umgesetzten Dreihalskolben und erhöhen Sie die Temperatur auf 65–70 °C° Es wird auf 60°C erhitzt und 60 Minuten lang reagieren gelassen.Geben Sie zum zweiten Mal Alkali hinzu und geben Sie dann 0,6 g NaOH in den obigen Reaktionskolben, um die Temperatur bei 70 °C zu halten°C, und die Reaktionszeit beträgt 40 Minuten, um rohes Na zu erhalten—CMC (Natriumcarboxymethylcellulose).

Neutralisation und Waschen: 1 molL hinzufügen·L-1-Salzsäure und neutralisieren Sie die Reaktion bei Raumtemperatur, bis ein pH-Wert von 7 bis 8 erreicht ist.Dann zweimal mit 50 %igem Ethanol waschen, dann einmal mit 95 %igem Ethanol waschen, absaugen und bei 80–90 trocknen°C für 2 Stunden.

(2) Bestimmung des Grades der Probensubstitution: Methode zur Bestimmung des Säuregehaltsmessers: Wiegen Sie 0,2 g (auf 0,1 mg genau) der gereinigten und getrockneten Na-CMC-Probe, lösen Sie sie in 80 ml destilliertem Wasser, rühren Sie sie 10 Minuten lang elektromagnetisch und stellen Sie sie ein Mit Säure oder Alkali brachte die Lösung den pH-Wert der Lösung auf 8. Dann titrierte man die Testlösung mit Schwefelsäure-Standardlösung in einem Becherglas, das mit einer pH-Meter-Elektrode ausgestattet war, und beobachtete während der Titration die Anzeige des pH-Meters, bis der pH-Wert erreicht war 3,74.Notieren Sie das Volumen der verwendeten Schwefelsäure-Standardlösung.

1.2.2 Einzelfaktor-Testmethode

(1) Einfluss der Alkalimenge auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose: Alkalisierung bei 25 °C durchführen℃80 Minuten lang in Alkali eintauchen, die Konzentration in der Ethanollösung beträgt 75 %, die Menge an Monochloressigsäurereagenz 3 g kontrollieren, die Veretherungstemperatur beträgt 65 ~ 70 °C°Die Temperatur betrug ca. 100 °C, die Veretherungszeit betrug 100 Minuten und die Menge an Natriumhydroxid wurde für den Test geändert.

(2) Die Auswirkung der Konzentration der Ethanollösung auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose: Die Menge an fixiertem Alkali beträgt 3,2 g, alkalisches Eintauchen in ein Wasserbad mit konstanter Temperatur bei 25 °C°C für 80 Minuten, die Konzentration der Ethanollösung beträgt 75 %, die Menge des Monochloressigsäurereagenzes wird auf 3 g kontrolliert, die Veretherungstemperatur beträgt 65–70 °C°Bei ca. 100 °C beträgt die Veretherungszeit 100 min und die Konzentration der Ethanollösung wird für den Versuch verändert.

(3) Die Auswirkung der Menge an Monochloressigsäure auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose: auf 25 festlegen°C zur Alkalisierung, 80 Minuten in Alkali einweichen, 3,2 g Natriumhydroxid hinzufügen, um die Konzentration der Ethanollösung auf 75 % zu bringen, Ether. Die Temperatur beträgt 65–70 °C°C, die Veretherungszeit beträgt 100 Minuten und die Menge an Monochloressigsäure wird für das Experiment geändert.

(4) Einfluss der Veretherungstemperatur auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose: auf 25 festgesetzt°C zur Alkalisierung, 80 Minuten in Alkali einweichen, 3,2 g Natriumhydroxid hinzufügen, um die Konzentration der Ethanollösung auf 75 % zu bringen, Veretherungstemperatur Die Temperatur beträgt 65–70 °C℃Die Veretherungszeit beträgt 100 Minuten und der Versuch wird durch Änderung der Dosierung von Monochloressigsäure durchgeführt.

(5) Einfluss der Veretherungszeit auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose: festgelegt auf 25°C zur Alkalisierung, 3,2 g Natriumhydroxid hinzugefügt und 80 Minuten in Alkali eingeweicht, um die Konzentration der Ethanollösung auf 75 % zu bringen und Monochlor zu kontrollieren. Die Dosierung des Essigsäurereagenzes beträgt 3 g, die Veretherungstemperatur beträgt 65–70 °C°C, und die Veretherungszeit wird experimentell geändert.

1.2.3 Versuchsplan und Optimierung von Carboxymethylcellulose

Auf der Grundlage des Einzelfaktorexperiments wurde ein kombiniertes Experiment mit quadratischer Regression und orthogonaler Rotation mit vier Faktoren und fünf Ebenen entworfen.Die vier Faktoren sind Veretherungszeit, Veretherungstemperatur, die Menge an NaOH und die Menge an Monochloressigsäure.Bei der Datenverarbeitung wird die Statistiksoftware SAS8.2 zur Datenverarbeitung verwendet, die den Zusammenhang zwischen jedem Einflussfaktor und dem Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose aufzeigt.inneres Gesetz.

1.2.4 SEM-Analysemethode

Die getrocknete Pulverprobe wurde mit leitfähigem Kleber auf dem Probentisch fixiert und nach dem Vakuumspritzen von Gold unter einem Hitachi-S-3400N Hitachi-Rasterelektronenmikroskop beobachtet und fotografiert.

2. Ergebnisse und Analyse

2.1 Einfluss eines einzelnen Faktors auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose

2.1.1 Der Einfluss der Alkalimenge auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose

Bei Zugabe von 3,2 g NaOH zu 2 g Cellulose war der Substitutionsgrad des Produkts am höchsten.Die Menge an NaOH wird reduziert, was nicht ausreicht, um die Neutralisation von alkalischer Cellulose und Veretherungsmittel zu bilden, und das Produkt weist einen geringen Substitutionsgrad und eine niedrige Viskosität auf.Im Gegenteil, wenn die Menge an NaOH zu groß ist, nehmen die Nebenreaktionen bei der Hydrolyse von Chloressigsäure zu, der Verbrauch an Veretherungsmittel steigt und auch die Produktviskosität nimmt ab.

2.1.2 Einfluss der Konzentration der Ethanollösung auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose

Ein Teil des Wassers in der Ethanollösung befindet sich im Reaktionsmedium außerhalb der Cellulose und der andere Teil befindet sich in der Cellulose.Wenn der Wassergehalt zu hoch ist, quillt CMC im Wasser auf und bildet während der Veretherung ein Gelee, was zu einer sehr ungleichmäßigen Reaktion führt.Wenn der Wassergehalt zu gering ist, kann die Reaktion aufgrund des fehlenden Reaktionsmediums nur schwer ablaufen.Im Allgemeinen ist 80 %iges Ethanol das am besten geeignete Lösungsmittel.

2.1.3 Einfluss der Dosierung von Monochloressigsäure auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose

Die Menge an Monochloressigsäure und Natriumhydroxid beträgt theoretisch 1:2. Um die Reaktion jedoch in Richtung der Bildung von CMC zu bewegen, stellen Sie sicher, dass im Reaktionssystem eine geeignete freie Base vorhanden ist, damit die Carboxymethylierung reibungslos ablaufen kann.Aus diesem Grund wird die Methode des Alkaliüberschusses angewendet, d. h. das Molverhältnis von Säure und Alkali beträgt 1:2,2.

2.1.4 Einfluss der Veretherungstemperatur auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose

Je höher die Veretherungstemperatur, desto schneller ist die Reaktionsgeschwindigkeit, aber auch die Nebenreaktionen werden beschleunigt.Aus Sicht des chemischen Gleichgewichts ist eine steigende Temperatur ungünstig für die Bildung von CMC, wenn die Temperatur jedoch zu niedrig ist, ist die Reaktionsgeschwindigkeit langsam und die Ausnutzungsrate des Veretherungsmittels gering.Es ist ersichtlich, dass die optimale Temperatur für die Veretherung bei 70 liegt°C.

2.1.5 Einfluss der Veretherungszeit auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose

Mit zunehmender Veretherungszeit nimmt der Substitutionsgrad von CMC zu und die Reaktionsgeschwindigkeit wird beschleunigt, aber nach einer gewissen Zeit nehmen die Nebenreaktionen zu und der Substitutionsgrad nimmt ab.Bei einer Veretherungszeit von 100 Minuten ist der Substitutionsgrad maximal.

2.2 Orthogonale Testergebnisse und Analyse von Carboxymethylgruppen

Aus der Varianzanalysetabelle ist ersichtlich, dass im Primärposten die vier Faktoren Veretherungszeit, Veretherungstemperatur, Menge an NaOH und Menge an Monochloressigsäure einen sehr wesentlichen Einfluss auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose haben (S <0,01) .Unter den Wechselwirkungspunkten hatten die Wechselwirkungspunkte Veretherungszeit und die Menge an Monochloressigsäure sowie die Wechselwirkungspunkte Veretherungstemperatur und Menge an Monochloressigsäure einen sehr signifikanten Einfluss auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose (p < 0,01).Die Reihenfolge des Einflusses verschiedener Faktoren auf den Substitutionsgrad von Carboxymethylcellulose war: Veretherungstemperatur > Menge an Monochloressigsäure > Veretherungszeit > Menge an NaOH.

Nach der Analyse der Testergebnisse des Kombinationsdesigns mit quadratischer Regression und orthogonaler Rotation kann festgestellt werden, dass die optimalen Prozessbedingungen für die Carboxymethylierungsmodifikation sind: Veretherungszeit 100 Minuten, Veretherungstemperatur 70℃, NaOH-Dosierung 3,2 g und Monochloressigsäure. Die Dosierung beträgt 3,0 g und der maximale Substitutionsgrad beträgt 0,53.

2.3 Mikroskopische Leistungscharakterisierung

Die Oberflächenmorphologie von Cellulose-, Carboxymethylcellulose- und vernetzten Carboxymethylcellulose-Partikeln wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht.Die Zellulose wächst streifenförmig mit glatter Oberfläche;Der Rand der Carboxymethylcellulose ist rauer als der der extrahierten Cellulose, die Hohlraumstruktur nimmt zu und das Volumen wird größer.Dies liegt daran, dass die Bündelstruktur durch das Quellen der Carboxymethylcellulose größer wird.

3. Fazit

3.1 Herstellung von Carboxymethyl-veretherter Cellulose. Die Reihenfolge der Bedeutung der vier Faktoren, die den Substitutionsgrad der Cellulose beeinflussen, ist: Veretherungstemperatur > Monochloressigsäure-Dosierung > Veretherungszeit > NaOH-Dosierung.Die optimalen Prozessbedingungen der Carboxymethylierungsmodifikation sind eine Veretherungszeit von 100 Minuten und eine Veretherungstemperatur von 70 °C℃, NaOH-Dosierung 3,2 g, Monochloressigsäure-Dosierung 3,0 g und maximaler Substitutionsgrad 0,53.

3.2 Die optimalen technologischen Bedingungen für die Carboxymethylierungsmodifikation sind: Veretherungszeit 100 Minuten, Veretherungstemperatur 70℃, NaOH-Dosierung 3,2 g, Monochloressigsäure-Dosierung 3,0 g, maximaler Substitutionsgrad 0,53.