سنتز و شناسایی کاهنده آب بوتان سولفونات سلولز اتر

سلولز میکروکریستالی (MCC) با درجه پلیمریزاسیون مشخص که از هیدرولیز اسیدی خمیر سلولز پنبه به دست آمده است، به عنوان ماده اولیه استفاده شد. تحت فعال‌سازی هیدروکسید سدیم، با سولتون 1،4-بوتان (BS) واکنش داده شد تا کاهنده آب سلولز بوتیل سولفونات (SBC) با حلالیت خوب در آب به دست آید. ساختار محصول با طیف‌سنجی مادون قرمز (FT-IR)، طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (NMR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پراش اشعه ایکس (XRD) و سایر روش‌های تحلیلی مشخص شد و درجه پلیمریزاسیون، نسبت مواد اولیه و واکنش MCC بررسی شد. تأثیر شرایط فرآیند سنتز مانند دما، زمان واکنش و نوع عامل تعلیق بر عملکرد کاهنده آب محصول بررسی شد. نتایج نشان می‌دهد که: وقتی درجه پلیمریزاسیون ماده اولیه MCC برابر با ۴۵ باشد، نسبت جرمی واکنش‌دهنده‌ها به صورت زیر است: AGU (واحد گلوکوزید سلولز): n (NaOH): n (BS) = 1.0: 2.1: 2.2، عامل تعلیق‌ساز ایزوپروپانول است، زمان فعال‌سازی ماده اولیه در دمای اتاق ۲ ساعت و زمان سنتز محصول ۵ ساعت است. وقتی دما ۸۰ درجه سانتیگراد باشد، محصول به‌دست‌آمده بالاترین درجه جایگزینی گروه‌های اسید بوتان‌سولفونیک را دارد و محصول بهترین عملکرد کاهش آب را دارد.

کلمات کلیدی:سلولز؛ سلولز بوتیل سولفونات؛ عامل کاهنده آب؛ عملکرد کاهنده آب

۱،مقدمه

فوق روان کننده بتن یکی از اجزای ضروری بتن مدرن است. دقیقاً به دلیل ظاهر این عامل کاهنده آب است که می‌توان کارایی بالا، دوام خوب و حتی مقاومت بالای بتن را تضمین کرد. کاهنده‌های آب با راندمان بالا که در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند، عمدتاً شامل دسته‌های زیر هستند: کاهنده آب بر پایه نفتالین (SNF)، کاهنده آب بر پایه رزین ملامین سولفونه شده (SMF)، کاهنده آب بر پایه سولفامات (ASP)، فوق روان کننده لیگنوسولفونات اصلاح شده (ML) و فوق روان کننده پلی کربوکسیلات (PC) که در حال حاضر تحقیقات بیشتری روی آن انجام می‌شود. با تجزیه و تحلیل فرآیند سنتز کاهنده‌های آب، اکثر کاهنده‌های آب میعانات سنتی قبلی از فرمالدئید با بوی تند قوی به عنوان ماده اولیه برای واکنش پلی کندانساسیون استفاده می‌کردند و فرآیند سولفوناسیون عموماً با اسید سولفوریک بخارکننده بسیار خورنده یا اسید سولفوریک غلیظ انجام می‌شد. این امر به ناچار اثرات نامطلوبی بر کارگران و محیط اطراف خواهد داشت و همچنین مقدار زیادی پسماند و مایع زائد تولید می‌کند که برای توسعه پایدار مفید نیست. با این حال، اگرچه کاهنده‌های آب پلی‌کربوکسیلات مزایایی مانند اتلاف کم بتن در طول زمان، دوز کم و جریان‌پذیری خوب را دارند، اما مزایای چگالی بالا و عدم وجود مواد سمی مانند فرمالدئید را دارند، اما به دلیل قیمت بالا، ترویج آن در چین دشوار است. از تجزیه و تحلیل منبع مواد اولیه، می‌توان دریافت که اکثر کاهنده‌های آب ذکر شده در بالا بر اساس محصولات/فرآورده‌های جانبی پتروشیمی سنتز می‌شوند، در حالی که نفت، به عنوان یک منبع تجدیدناپذیر، به طور فزاینده‌ای کمیاب است و قیمت آن به طور مداوم در حال افزایش است. بنابراین، چگونگی استفاده از منابع تجدیدپذیر طبیعی ارزان و فراوان به عنوان مواد اولیه برای توسعه ابرروان‌کننده‌های بتن با عملکرد بالا، به یک جهت تحقیقاتی مهم برای ابرروان‌کننده‌های بتن تبدیل شده است.

سلولز یک ماکرومولکول خطی است که با اتصال بسیاری از D-گلوکوپیرانوزها با پیوندهای گلیکوزیدی β-(1-4) تشکیل می‌شود. سه گروه هیدروکسیل روی هر حلقه گلوکوپیرانوزیل وجود دارد. با عملیات مناسب می‌توان واکنش‌پذیری خاصی را به دست آورد. در این مقاله، از خمیر پنبه سلولزی به عنوان ماده اولیه اولیه استفاده شد و پس از هیدرولیز اسیدی برای به دست آوردن سلولز میکروکریستالی با درجه پلیمریزاسیون مناسب، توسط هیدروکسید سدیم فعال شده و با 1،4-بوتان سولتون واکنش داده شد تا فوق روان کننده اتر سلولز اسیدی بوتیل سولفونات تهیه شود و عوامل مؤثر بر هر واکنش مورد بحث قرار گرفت.

۲. آزمایش

۲.۱ مواد اولیه

خمیر سلولز پنبه، درجه پلیمریزاسیون ۵۷۶، شرکت فناوری سین‌کیانگ آویانگ؛ ۱،۴-بوتان سولتون (BS)، درجه صنعتی، تولید شده توسط شرکت شیمیایی شانگهای جیاچن؛ سیمان پرتلند معمولی ۵۲.۵R، ارومچی، تهیه شده توسط کارخانه سیمان؛ ماسه استاندارد ISO چین، تولید شده توسط شرکت ماسه استاندارد شیامن ایس او؛ هیدروکسید سدیم، اسید هیدروکلریک، ایزوپروپانول، متانول بی‌آب، اتیل استات، نرمال بوتانول، اتر پترولیوم و غیره، همگی از نظر تحلیلی خالص هستند و به صورت تجاری در دسترس می‌باشند.

۲.۲ روش تجربی

مقدار مشخصی از خمیر پنبه را وزن کرده و به درستی آسیاب کنید، آن را در یک بطری سه دهانه قرار دهید، غلظت مشخصی از اسید هیدروکلریک رقیق اضافه کنید، هم بزنید تا گرم شود و برای مدت زمان مشخصی هیدرولیز شود، تا دمای اتاق خنک شود، فیلتر کنید، با آب بشویید تا خنثی شود و در دمای 50 درجه سانتیگراد خشک کنید تا به دست آید. پس از تهیه مواد اولیه سلولز میکروکریستالی با درجات مختلف پلیمریزاسیون، درجه پلیمریزاسیون آنها را طبق دستورالعمل اندازه گیری کنید، آن را در یک بطری واکنش سه دهانه قرار دهید، آن را با یک ماده تعلیق کننده 10 برابر جرم آن به حالت تعلیق درآورید، مقدار مشخصی از محلول آبی هیدروکسید سدیم را در حال هم زدن اضافه کنید، برای مدت زمان مشخصی در دمای اتاق هم بزنید و فعال کنید، مقدار محاسبه شده 1،4-بوتان سولتون (BS) را اضافه کنید، تا دمای واکنش گرم کنید، برای مدت زمان مشخصی در دمای ثابت واکنش دهید، محصول را تا دمای اتاق خنک کنید و محصول خام را با فیلتراسیون مکش به دست آورید. 3 بار با آب و متانول بشویید و با مکش فیلتر کنید تا محصول نهایی، یعنی کاهنده آب سلولز بوتیل سولفونات (SBC) به دست آید.

۲.۳ تجزیه و تحلیل و توصیف محصول

۲.۳.۱ تعیین میزان گوگرد محصول و محاسبه درجه جایگزینی

از دستگاه آنالیز عنصری FLASHEA-PE2400 برای انجام آنالیز عنصری روی محصول خشک‌شده کاهنده آب بوتیل سولفونات سلولز و تعیین میزان گوگرد استفاده شد.

۲.۳.۲ تعیین روانی ملات

مطابق با استاندارد GB8076-2008 و مطابق با استاندارد 6.5 اندازه‌گیری شده است. یعنی ابتدا مخلوط آب/سیمان/ماسه استاندارد را روی دستگاه آزمایش سیالیت ملات سیمان NLD-3 اندازه‌گیری کنید، زمانی که قطر انبساط (180±2) میلی‌متر باشد. سیمان، میزان مصرف آب معیار اندازه‌گیری شده 230 گرم است) و سپس یک ماده کاهنده آب که جرم آن 1٪ از جرم سیمان است، به آب اضافه کنید، مطابق با فرمول سیمان/عامل کاهنده آب/آب استاندارد/ماسه استاندارد = 450 گرم/4.5 گرم/230 گرم/ به نسبت 1350 گرم در مخلوط کن ملات سیمان JJ-5 قرار داده شده و به طور یکنواخت هم زده می‌شود و قطر انبساط ملات روی دستگاه آزمایش سیالیت ملات اندازه‌گیری می‌شود که همان سیالیت ملات اندازه‌گیری شده است.

۲.۳.۳ توصیف محصول

نمونه با استفاده از طیف‌سنج مادون قرمز تبدیل فوریه نوع EQUINOX 55 شرکت Bruker با استفاده از FT-IR مشخصه‌یابی شد؛ طیف H NMR نمونه با استفاده از دستگاه تشدید مغناطیسی هسته‌ای ابررسانای INOVA ZAB-HS شرکت Varian مشخصه‌یابی شد؛ مورفولوژی محصول زیر میکروسکوپ مشاهده شد؛ آنالیز XRD با استفاده از پراش‌سنج اشعه ایکس شرکت MAC M18XHF22-SRA روی نمونه انجام شد.

۳. نتایج و بحث

۳.۱ نتایج مشخصه‌یابی

۳.۱.۱ نتایج مشخصه‌یابی FT-IR

آنالیز مادون قرمز بر روی ماده اولیه سلولز میکروکریستالی با درجه پلیمریزاسیون Dp=45 و محصول SBC سنتز شده از این ماده اولیه انجام شد. از آنجایی که پیک‌های جذب SC و SH بسیار ضعیف هستند، برای شناسایی مناسب نیستند، در حالی که S=O پیک جذب قوی دارد. بنابراین، می‌توان با تأیید وجود پیک S=O، وجود یا عدم وجود گروه اسید سولفونیک در ساختار مولکولی را تعیین کرد. بدیهی است که در طیف سلولز، یک پیک جذب قوی در عدد موج 3344 cm-1 وجود دارد که به پیک ارتعاش کششی هیدروکسیل در سلولز نسبت داده می‌شود. پیک جذب قوی‌تر در عدد موج 2923 cm-1، پیک ارتعاش کششی متیلن (-CH2) است. پیک ارتعاش؛ سری نوارهای تشکیل شده از 1031، 1051، 1114 و 1165cm-1، پیک جذب ارتعاش کششی هیدروکسیل و پیک جذب ارتعاش خمشی پیوند اتر (COC) را منعکس می‌کنند. عدد موج 1646cm-1 نشان دهنده هیدروژن تشکیل شده توسط هیدروکسیل و آب آزاد است. پیک جذب پیوند؛ باند 1432~1318cm-1 نشان دهنده وجود ساختار بلوری سلولز است. در طیف IR SBC، شدت باند 1432~1318cm-1 ضعیف می‌شود؛ در حالی که شدت پیک جذب در 1653cm-1 افزایش می‌یابد که نشان می‌دهد توانایی تشکیل پیوندهای هیدروژنی تقویت شده است. 1040، 605cm-1 قوی‌تر به نظر می‌رسد. پیک‌های جذب، و این دو در طیف مادون قرمز سلولز منعکس نمی‌شوند، اولی پیک جذب مشخصه پیوند S=O و دومی پیک جذب مشخصه پیوند SO است. بر اساس تجزیه و تحلیل فوق، می‌توان مشاهده کرد که پس از واکنش اتری شدن سلولز، گروه‌های اسید سولفونیک در زنجیره مولکولی آن وجود دارند.

۳.۱.۲ نتایج مشخصه‌یابی H NMR

طیف H NMR سلولز بوتیل سولفونات را می‌توان مشاهده کرد: در محدوده γ=1.74~2.92 جابجایی شیمیایی پروتون هیدروژن سیکلوبوتیل و در محدوده γ=3.33~4.52 واحد انیدروگلوکز سلولز است. جابجایی شیمیایی پروتون اکسیژن در محدوده γ=4.52~6 جابجایی شیمیایی پروتون متیلن در گروه اسید بوتیل سولفونیک متصل به اکسیژن است و در محدوده γ=6~7 هیچ پیکی وجود ندارد که نشان می‌دهد محصول پروتون‌های دیگری وجود ندارد.

۳.۱.۳ نتایج مشخصه‌یابی SEM

مشاهده SEM از خمیر پنبه سلولزی، سلولز میکروکریستالی و محصول سلولز بوتیل سولفونات. با تجزیه و تحلیل نتایج آنالیز SEM از خمیر پنبه سلولزی، سلولز میکروکریستالی و محصول سلولز بوتان سولفونات (SBC)، مشخص شد که سلولز میکروکریستالی به‌دست‌آمده پس از هیدرولیز با HCL می‌تواند ساختار الیاف سلولزی را به طور قابل توجهی تغییر دهد. ساختار فیبری از بین رفت و ذرات سلولزی متراکم و ریز به دست آمد. SBC به‌دست‌آمده با واکنش بیشتر با BS هیچ ساختار فیبری نداشت و اساساً به یک ساختار آمورف تبدیل شد که برای انحلال آن در آب مفید بود.

۳.۱.۴ نتایج مشخصه‌یابی XRD

بلورینگی سلولز و مشتقات آن به درصد ناحیه بلوری تشکیل شده توسط ساختار واحد سلولز در کل اشاره دارد. هنگامی که سلولز و مشتقات آن تحت یک واکنش شیمیایی قرار می‌گیرند، پیوندهای هیدروژنی در مولکول و بین مولکول‌ها از بین می‌روند و ناحیه بلوری به یک ناحیه آمورف تبدیل می‌شود و در نتیجه بلورینگی کاهش می‌یابد. بنابراین، تغییر در بلورینگی قبل و بعد از واکنش، معیاری از سلولز است که یکی از معیارهای شرکت در پاسخ یا عدم شرکت در آن است. آنالیز XRD روی سلولز میکروکریستالی و محصول سلولز بوتان سولفونات انجام شد. با مقایسه می‌توان مشاهده کرد که پس از اتری شدن، بلورینگی اساساً تغییر می‌کند و محصول کاملاً به یک ساختار آمورف تبدیل شده است، به طوری که می‌تواند در آب حل شود.

۳.۲ تأثیر درجه پلیمریزاسیون مواد اولیه بر عملکرد کاهندگی آب محصول

سیالیت ملات مستقیماً نشان دهنده عملکرد کاهندگی آب محصول است و میزان گوگرد محصول یکی از مهمترین عوامل مؤثر بر سیالیت ملات است. سیالیت ملات، عملکرد کاهندگی آب محصول را می سنجد.

پس از تغییر شرایط واکنش هیدرولیز برای تهیه MCC با درجات مختلف پلیمریزاسیون، طبق روش فوق، یک فرآیند سنتز خاص را برای تهیه محصولات SBC انتخاب کنید، میزان گوگرد را برای محاسبه درجه جایگزینی محصول اندازه‌گیری کنید و محصولات SBC را به سیستم اختلاط آب/سیمان/شن استاندارد اضافه کنید و سیالیت ملات را اندازه‌گیری کنید.

از نتایج تجربی می‌توان دریافت که در محدوده تحقیق، وقتی درجه پلیمریزاسیون ماده اولیه سلولز میکروکریستالی بالا باشد، میزان گوگرد (درجه جایگزینی) محصول و سیالیت ملات کم است. دلیل این امر این است که: وزن مولکولی ماده اولیه کم است که این امر منجر به اختلاط یکنواخت ماده اولیه و نفوذ عامل اتری شدن می‌شود و در نتیجه درجه اتری شدن محصول را بهبود می‌بخشد. با این حال، سرعت کاهش آب محصول با کاهش درجه پلیمریزاسیون مواد اولیه به صورت خطی افزایش نمی‌یابد. نتایج تجربی نشان می‌دهد که سیالیت ملات مخلوط ملات سیمان مخلوط شده با SBC تهیه شده با استفاده از سلولز میکروکریستالی با درجه پلیمریزاسیون Dp<96 (وزن مولکولی<15552) بیشتر از 180 میلی‌متر مربع است (که بیشتر از سیالیت بدون کاهنده آب است). سیالیت معیار)، نشان می‌دهد که SBC را می‌توان با استفاده از سلولز با وزن مولکولی کمتر از 15552 تهیه کرد و می‌توان به سرعت کاهندگی آب خاصی دست یافت. SBC با استفاده از سلولز میکروکریستالی با درجه پلیمریزاسیون ۴۵ (وزن مولکولی: ۷۲۹۰) تهیه می‌شود و با افزودن آن به مخلوط بتن، سیالیت اندازه‌گیری شده ملات بیشترین مقدار را دارد، بنابراین در نظر گرفته می‌شود که سلولز با درجه پلیمریزاسیون حدود ۴۵ برای تهیه SBC مناسب‌ترین است. هنگامی که درجه پلیمریزاسیون مواد اولیه بیشتر از ۴۵ باشد، سیالیت ملات به تدریج کاهش می‌یابد، به این معنی که سرعت کاهش آب کاهش می‌یابد. دلیل این امر این است که وقتی وزن مولکولی زیاد باشد، از یک طرف، ویسکوزیته سیستم مخلوط افزایش می‌یابد، یکنواختی پراکندگی سیمان بدتر می‌شود و پراکندگی در بتن کند می‌شود که بر اثر پراکندگی تأثیر می‌گذارد. از طرف دیگر، هنگامی که وزن مولکولی زیاد باشد، ماکرومولکول‌های فوق روان‌کننده در یک ترکیب مارپیچی تصادفی قرار می‌گیرند که جذب آن روی سطح ذرات سیمان نسبتاً دشوار است. اما وقتی درجه پلیمریزاسیون ماده اولیه کمتر از ۴۵ باشد، اگرچه میزان گوگرد (درجه جایگزینی) محصول نسبتاً زیاد است، سیالیت مخلوط ملات نیز شروع به کاهش می‌کند، اما این کاهش بسیار کم است. دلیل این امر این است که وقتی وزن مولکولی عامل کاهنده آب کم است، اگرچه انتشار مولکولی آسان است و قابلیت ترشوندگی خوبی دارد، اما سرعت جذب مولکول بزرگتر از مولکول است و زنجیره انتقال آب بسیار کوتاه است و اصطکاک بین ذرات زیاد است که برای بتن مضر است. اثر پراکندگی به خوبی کاهنده آب با وزن مولکولی بزرگتر نیست. بنابراین، کنترل صحیح وزن مولکولی سطح پیگ (بخش سلولزی) برای بهبود عملکرد کاهنده آب بسیار مهم است.

۳.۳ تأثیر شرایط واکنش بر عملکرد کاهندگی آب محصول

از طریق آزمایش‌ها مشخص شده است که علاوه بر درجه پلیمریزاسیون MCC، نسبت واکنش‌دهنده‌ها، دمای واکنش، فعال‌سازی مواد اولیه، زمان سنتز محصول و نوع عامل تعلیق‌ساز، همگی بر عملکرد کاهندگی آب محصول تأثیر می‌گذارند.

۳.۳.۱ نسبت واکنش‌دهنده‌ها

(1) دوز BS

تحت شرایط تعیین‌شده توسط سایر پارامترهای فرآیند (درجه پلیمریزاسیون MCC برابر با ۴۵، n(MCC):n(NaOH)=1:2.1، عامل تعلیق‌ساز ایزوپروپانول، زمان فعال‌سازی سلولز در دمای اتاق ۲ ساعت، دمای سنتز ۸۰ درجه سانتیگراد و زمان سنتز ۵ ساعت)، برای بررسی تأثیر مقدار عامل اتریفیکاسیون ۱،۴-بوتان سولتون (BS) بر درجه جایگزینی گروه‌های اسید بوتان سولفونیک محصول و سیالیت ملات.

مشاهده می‌شود که با افزایش مقدار BS، درجه جایگزینی گروه‌های اسید بوتان سولفونیک و سیالیت ملات به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. هنگامی که نسبت BS به MCC به 2.2:1 می‌رسد، سیالیت DS و ملات به حداکثر مقدار خود می‌رسد. در این زمان، عملکرد کاهندگی آب در بهترین حالت خود قرار دارد. مقدار BS همچنان در حال افزایش است و هم درجه جایگزینی و هم سیالیت ملات شروع به کاهش می‌کند. دلیل این امر این است که وقتی BS بیش از حد باشد، BS با NaOH واکنش داده و HO-(CH2)4SO3Na تولید می‌کند. بنابراین، این مقاله نسبت بهینه مواد BS به MCC را 2.2:1 انتخاب می‌کند.

(2) دوز NaOH

تحت شرایط تعیین‌شده توسط سایر پارامترهای فرآیند (درجه پلیمریزاسیون MCC برابر با ۴۵، n(BS):n(MCC)=2.2:1. عامل تعلیق‌ساز ایزوپروپانول، زمان فعال‌سازی سلولز در دمای اتاق ۲ ساعت، دمای سنتز ۸۰ درجه سانتیگراد و زمان سنتز ۵ ساعت)، برای بررسی تأثیر مقدار هیدروکسید سدیم بر درجه جایگزینی گروه‌های اسید بوتان سولفونیک در محصول و سیالیت ملات.

مشاهده می‌شود که با افزایش مقدار کاهش، درجه جایگزینی SBC به سرعت افزایش می‌یابد و پس از رسیدن به بالاترین مقدار، شروع به کاهش می‌کند. دلیل این امر این است که وقتی مقدار NaOH زیاد است، بازهای آزاد زیادی در سیستم وجود دارد و احتمال واکنش‌های جانبی افزایش می‌یابد که منجر به مشارکت بیشتر عوامل اتری (BS) در واکنش‌های جانبی می‌شود و در نتیجه درجه جایگزینی گروه‌های اسید سولفونیک در محصول کاهش می‌یابد. در دمای بالاتر، وجود NaOH زیاد نیز سلولز را تخریب می‌کند و عملکرد کاهش آب محصول در درجه پلیمریزاسیون پایین‌تر تحت تأثیر قرار می‌گیرد. طبق نتایج تجربی، وقتی نسبت مولی NaOH به MCC حدود 2.1 باشد، درجه جایگزینی بیشترین است، بنابراین این مقاله تعیین می‌کند که نسبت مولی NaOH به MCC برابر با 2.1:1.0 است.

۳.۳.۲ تأثیر دمای واکنش بر عملکرد کاهش آب محصول

تحت شرایط تعیین‌شده توسط سایر پارامترهای فرآیند (درجه پلیمریزاسیون MCC برابر با ۴۵، n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2.1:2.2، عامل تعلیق‌ساز ایزوپروپانول و زمان فعال‌سازی سلولز در دمای اتاق ۲ ساعت است. زمان ۵ ساعت)، تأثیر دمای واکنش سنتز بر درجه جایگزینی گروه‌های اسید بوتان سولفونیک در محصول بررسی شد.

مشاهده می‌شود که با افزایش دمای واکنش، درجه جایگزینی اسید سولفونیک DS مربوط به SBC به تدریج افزایش می‌یابد، اما وقتی دمای واکنش از 80 درجه سانتیگراد فراتر می‌رود، DS روند نزولی نشان می‌دهد. واکنش اتری شدن بین 1،4-بوتان سولتون و سلولز یک واکنش گرماگیر است و افزایش دمای واکنش برای واکنش بین عامل اتری کننده و گروه هیدروکسیل سلولز مفید است، اما با افزایش دما، اثر NaOH و سلولز به تدریج افزایش می‌یابد. این واکنش قوی می‌شود و باعث تخریب و ریزش سلولز می‌شود و در نتیجه وزن مولکولی سلولز کاهش یافته و قندهای مولکولی کوچک تولید می‌شوند. واکنش چنین مولکول‌های کوچکی با عوامل اتری کننده نسبتاً آسان است و عوامل اتری کننده بیشتری مصرف می‌شوند که بر درجه جایگزینی محصول تأثیر می‌گذارد. بنابراین، این پایان‌نامه در نظر دارد که مناسب‌ترین دمای واکنش برای واکنش اتری شدن BS و سلولز 80 درجه سانتیگراد است.

۳.۳.۳ تأثیر زمان واکنش بر عملکرد کاهش آب محصول

زمان واکنش به فعال‌سازی مواد اولیه در دمای اتاق و زمان سنتز محصولات در دمای ثابت تقسیم می‌شود.

(1) زمان فعال‌سازی مواد اولیه در دمای اتاق

تحت شرایط بهینه فرآیند فوق (درجه پلیمریزاسیون MCC برابر با ۴۵، n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2.1:2.2، عامل تعلیق‌ساز ایزوپروپانول، دمای واکنش سنتز ۸۰ درجه سانتیگراد، زمان سنتز محصول در دمای ثابت ۵ ساعت)، تأثیر زمان فعال‌سازی در دمای اتاق بر درجه جایگزینی گروه اسید بوتان سولفونیک محصول را بررسی کنید.

مشاهده می‌شود که درجه جایگزینی گروه اسید بوتان سولفونیک محصول SBC ابتدا افزایش و سپس با طولانی شدن زمان فعال‌سازی کاهش می‌یابد. دلیل تجزیه و تحلیل ممکن است این باشد که با افزایش زمان عمل NaOH، تخریب سلولز جدی است. وزن مولکولی سلولز را کاهش دهید تا قندهای مولکولی کوچک تولید شوند. واکنش چنین مولکول‌های کوچکی با عوامل اتری‌کننده نسبتاً آسان است و عوامل اتری‌کننده بیشتری مصرف می‌شوند که بر درجه جایگزینی محصول تأثیر می‌گذارد. بنابراین، این مقاله در نظر می‌گیرد که زمان فعال‌سازی دمای اتاق مواد اولیه 2 ساعت است.

(2) زمان سنتز محصول

تحت شرایط بهینه فرآیند فوق، تأثیر زمان فعال‌سازی در دمای اتاق بر درجه جایگزینی گروه اسید بوتان سولفونیک محصول بررسی شد. مشاهده می‌شود که با طولانی شدن زمان واکنش، ابتدا درجه جایگزینی افزایش می‌یابد، اما وقتی زمان واکنش به 5 ساعت می‌رسد، DS روند نزولی نشان می‌دهد. این مربوط به باز آزاد موجود در واکنش اتری شدن سلولز است. در دماهای بالاتر، طولانی شدن زمان واکنش منجر به افزایش درجه هیدرولیز قلیایی سلولز، کوتاه شدن زنجیره مولکولی سلولز، کاهش وزن مولکولی محصول و افزایش واکنش‌های جانبی می‌شود که در نتیجه درجه جایگزینی کاهش می‌یابد. در این آزمایش، زمان سنتز ایده‌آل 5 ساعت است.

۳.۳.۴ تأثیر نوع عامل تعلیق‌ساز بر عملکرد کاهندگی آب محصول

تحت شرایط بهینه فرآیند (درجه پلیمریزاسیون MCC برابر با ۴۵، n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2.1:2.2، زمان فعال‌سازی مواد اولیه در دمای اتاق ۲ ساعت، زمان سنتز محصولات در دمای ثابت ۵ ساعت و دمای واکنش سنتز ۸۰ درجه سانتیگراد)، به ترتیب ایزوپروپانول، اتانول، نرمال-بوتانول، اتیل استات و پترولیوم اتر را به عنوان عوامل تعلیق‌ساز انتخاب کرده و تأثیر آنها را بر عملکرد کاهندگی آب محصول مورد بحث قرار می‌دهیم.

بدیهی است که ایزوپروپانول، نرمال-بوتانول و اتیل استات همگی می‌توانند به عنوان عامل تعلیق‌ساز در این واکنش اتری شدن استفاده شوند. نقش عامل تعلیق‌ساز، علاوه بر پراکنده کردن واکنش‌دهنده‌ها، می‌تواند دمای واکنش را کنترل کند. نقطه جوش ایزوپروپانول ۸۲.۳ درجه سانتیگراد است، بنابراین ایزوپروپانول به عنوان عامل تعلیق‌ساز استفاده می‌شود، دمای سیستم را می‌توان نزدیک به دمای بهینه واکنش کنترل کرد و درجه جایگزینی گروه‌های اسید بوتان سولفونیک در محصول و سیالیت ملات نسبتاً بالا است. در حالی که نقطه جوش اتانول خیلی بالا است، دمای واکنش الزامات را برآورده نمی‌کند، درجه جایگزینی گروه‌های اسید بوتان سولفونیک در محصول و سیالیت ملات کم است. اتر نفتی ممکن است در واکنش شرکت کند، بنابراین هیچ محصول پراکنده‌ای حاصل نمی‌شود.

۴ نتیجه‌گیری

(1) استفاده از خمیر پنبه به عنوان ماده اولیه خام،سلولز میکروکریستالی (MCC)با درجه پلیمریزاسیون مناسب تهیه شد، توسط NaOH فعال شد و با 1،4-بوتان سولتون واکنش داده شد تا اتر سلولز اسید بوتیل سولفونیک محلول در آب، یعنی کاهنده آب مبتنی بر سلولز، تهیه شود. ساختار محصول مشخص شد و مشخص شد که پس از واکنش اتری شدن سلولز، گروه‌های اسید سولفونیک روی زنجیره مولکولی آن وجود دارند که به ساختار آمورف تبدیل شده‌اند و محصول کاهنده آب از حلالیت خوبی در آب برخوردار است.

(2) از طریق آزمایش‌ها مشخص شده است که وقتی درجه پلیمریزاسیون سلولز میکروکریستالی 45 باشد، عملکرد کاهش آب محصول به دست آمده بهترین است؛ تحت شرایطی که درجه پلیمریزاسیون مواد اولیه تعیین شود، نسبت واکنش‌دهنده‌ها n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2.1:2.2، زمان فعال‌سازی مواد اولیه در دمای اتاق 2 ساعت، دمای سنتز محصول 80 درجه سانتیگراد و زمان سنتز 5 ساعت باشد. عملکرد آب بهینه است.