Cellulose CMC et caractérisation de sa structure

Utilisant la cellulose de paille comme matière première, elle a été modifiée par éthérification.Grâce au test de facteur unique et de rotation, les conditions optimales pour la préparation de carboxyméthylcellulose ont été déterminées comme étant : temps d'éthérification 100 min, température d'éthérification 70 min.℃, Dosage de NaOH 3,2 g et dosage d'acide monochloroacétique 3,0 g, la substitution maximale Le degré est de 0,53.

Mots clés : CMCcellulose;acide monochloroacétique;l'éthérification ;modification

Carboxyméthylcelluloseest l'éther de cellulose le plus produit et vendu au monde.Il est largement utilisé dans les détergents, les aliments, le dentifrice, le textile, l'impression et la teinture, la fabrication du papier, le pétrole, les mines, la médecine, la céramique, les composants électroniques, le caoutchouc, les peintures, les pesticides, les cosmétiques, le cuir, les plastiques et le forage pétrolier, etc., connu comme « glutamate monosodique industriel ».La carboxyméthylcellulose est un dérivé d'éther de cellulose hydrosoluble obtenu en modifiant chimiquement la cellulose naturelle.La cellulose, principale matière première pour la production de carboxyméthylcellulose, est l'une des ressources naturelles renouvelables les plus abondantes sur terre, avec une production annuelle de centaines de milliards de tonnes.mon pays est un grand pays agricole et l'un des pays disposant des ressources en paille les plus abondantes.La paille a toujours été l’un des principaux combustibles pour les habitants des zones rurales.Ces ressources n’ont pas été exploitées de manière rationnelle depuis longtemps, et moins de 2 % des déchets agricoles et forestiers comme la paille sont utilisés chaque année dans le monde.Le riz est la principale culture économique de la province du Heilongjiang, avec une superficie plantée de plus de 2 millions de hm2, une production annuelle de 14 millions de tonnes de riz et 11 millions de tonnes de paille.Les agriculteurs les brûlent généralement directement dans les champs comme déchets, ce qui constitue non seulement un énorme gaspillage de ressources naturelles, mais entraîne également une grave pollution de l'environnement.Par conséquent, réaliser l’utilisation des ressources en paille est une nécessité de la stratégie de développement durable de l’agriculture.

1. Matériels et méthodes expérimentaux

1.1 Matériels et équipements expérimentaux

Paille de cellulose, fabriquée soi-même en laboratoire ;JJ～1 type de mélangeur électrique, usine d'instruments expérimentaux Jintan Guowang ;SHZW2C type RS—Une pompe à vide, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd. ;pH-mètre pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.;Étuve de séchage à température constante à chauffage électrique DGG-9070A, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd. ;Microscope électronique à balayage HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments ;l'éthanol;hydroxyde de sodium;acide chloroacétique, etc. (les réactifs ci-dessus sont analytiquement purs).

1.2 Méthode expérimentale

1.2.1 Préparation de la carboxyméthylcellulose

(1) La méthode de préparation de la carboxyméthylcellulose : peser 2 g de cellulose dans un ballon à trois cols, ajouter 2,8 g de NaOH, 20 ml de solution d'éthanol à 75 % et tremper dans un alcali dans un bain-marie à température constante à 25°C pendant 80 min.Remuer avec un mixeur pour bien mélanger.Au cours de ce processus, la cellulose réagit avec une solution alcaline pour former de la cellulose alcaline.Dans l'étape d'éthérification, ajoutez 10 ml de solution d'éthanol à 75 % et 3 g d'acide chloroacétique dans le ballon à trois cols ayant réagi ci-dessus, augmentez la température à 65-70.° C. et réagir pendant 60 minutes.Ajoutez un alcali pour la deuxième fois, puis ajoutez 0,6 g de NaOH dans le ballon de réaction ci-dessus pour maintenir la température à 70°C.°C, et le temps de réaction est de 40 minutes pour obtenir du Na brut—CMC (carboxyméthylcellulose de sodium).

Neutralisation et lavage : ajouter 1moL·Acide chlorhydrique L-1 et neutraliser la réaction à température ambiante jusqu'à pH = 7 ~ 8.Puis laver deux fois avec de l'éthanol à 50 %, puis laver une fois avec de l'éthanol à 95 %, filtrer avec aspiration et sécher à 80-90°C.°C pendant 2 heures.

(2) Détermination du degré de substitution de l'échantillon : méthode de détermination de l'acidité : peser 0,2 g (précis à 0,1 mg) de l'échantillon de Na-CMC purifié et séché, le dissoudre dans 80 ml d'eau distillée, l'agiter électromagnétiquement pendant 10 min et ajuster avec de l'acide ou un alcali. La solution a amené le pH de la solution à 8. Titrez ensuite la solution d'essai avec une solution étalon d'acide sulfurique dans un bécher équipé d'une électrode de pH-mètre, et observez l'indication du pH-mètre pendant le titrage jusqu'à ce que le pH soit 3.74.Notez le volume de solution étalon d’acide sulfurique utilisé.

1.2.2 Méthode d'essai à facteur unique

(1) L'effet de la quantité d'alcali sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose : effectuer une alcalinisation à 25℃, immersion alcaline pendant 80 minutes, la concentration dans la solution d'éthanol est de 75 %, contrôlez la quantité de réactif acide monochloroacétique 3 g, la température d'éthérification est de 65 ~ 70°C, la durée d'éthérification était de 100 minutes et la quantité d'hydroxyde de sodium a été modifiée pour le test.

(2) L'effet de la concentration de la solution éthanolique sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose : la quantité d'alcali fixe est de 3,2 g, immersion alcaline dans un bain-marie à température constante à 25°C pendant 80 min, la concentration de la solution d'éthanol est de 75 %, la quantité de réactif acide monochloroacétique est contrôlée à 3 g, éthérification La température est de 65-70°C, le temps d'éthérification est de 100 minutes et la concentration de la solution d'éthanol est modifiée pour l'expérience.

(3) L'effet de la quantité d'acide monochloroacétique sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose : fixer à 25°C pour l'alcalinisation, tremper dans un alcali pendant 80 minutes, ajouter 3,2 g d'hydroxyde de sodium pour rendre la concentration de la solution d'éthanol à 75 %, éther La température est de 65 ~ 70°C, le temps d'éthérification est de 100 minutes et la quantité d'acide monochloroacétique est modifiée pour l'expérience.

(4) Effet de la température d'éthérification sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose : fixer à 25°C pour l'alcalinisation, tremper dans un alcali pendant 80 minutes, ajouter 3,2 g d'hydroxyde de sodium pour rendre la concentration de la solution d'éthanol à 75 %, température d'éthérification. La température est de 65 ~ 70.℃, le temps d'éthérification est de 100 minutes et l'expérience est réalisée en modifiant le dosage de l'acide monochloroacétique.

(5) Effet du temps d'éthérification sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose : fixé à 25°C pour l'alcalinisation, ajouté 3,2 g d'hydroxyde de sodium et trempé dans un alcali pendant 80 minutes pour rendre la concentration de la solution d'éthanol à 75 % et monochlore contrôlé. Le dosage du réactif acide acétique est de 3 g, la température d'éthérification est de 65 ~ 70.°C, et le temps d'éthérification est modifié pour l'expérience.

1.2.3 Plan de test et optimisation de la carboxyméthylcellulose

Sur la base de l’expérience à facteur unique, une expérience combinée de régression quadratique et de rotation orthogonale avec quatre facteurs et cinq niveaux a été conçue.Les quatre facteurs sont le temps d'éthérification, la température d'éthérification, la quantité de NaOH et la quantité d'acide monochloroacétique.Le traitement des données utilise le logiciel statistique SAS8.2 pour le traitement des données, qui révèle la relation entre chaque facteur d'influence et le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose.loi intérieure.

1.2.4 Méthode d'analyse MEB

L'échantillon de poudre séchée a été fixé sur la platine d'échantillon avec de la colle conductrice et, après pulvérisation d'or sous vide, il a été observé et photographié sous un microscope électronique à balayage Hitachi-S-3400N.

2. Résultats et analyse

2.1 Effet d'un seul facteur sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose

2.1.1 L'effet de la quantité d'alcali sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose

Lorsque NaOH 3,2 g a été ajouté à 2 g de cellulose, le degré de substitution du produit était le plus élevé.La quantité de NaOH est réduite, ce qui n'est pas suffisant pour former la neutralisation de la cellulose alcaline et de l'agent d'éthérification, et le produit présente un faible degré de substitution et une faible viscosité.Au contraire, si la quantité de NaOH est trop importante, les réactions secondaires lors de l'hydrolyse de l'acide chloroacétique augmenteront, la consommation d'agent éthérifiant augmentera et la viscosité du produit diminuera également.

2.1.2 Effet de la concentration de la solution éthanolique sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose

Une partie de l'eau présente dans la solution éthanolique existe dans le milieu réactionnel en dehors de la cellulose, et l'autre partie existe dans la cellulose.Si la teneur en eau est trop importante, la CMC gonflera dans l'eau pour former de la gelée pendant l'éthérification, ce qui entraînera une réaction très inégale ;si la teneur en eau est trop faible, la réaction aura du mal à se dérouler en raison du manque de milieu réactionnel.Généralement, l'éthanol à 80 % est le solvant le plus approprié.

2.1.3 Effet du dosage de l'acide monochloroacétique sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose

La quantité d'acide monochloroacétique et d'hydroxyde de sodium est théoriquement de 1:2, mais afin d'orienter la réaction vers la génération de CMC, assurez-vous qu'il y a une base libre appropriée dans le système réactionnel, afin que la carboxyméthylation puisse se dérouler sans problème.Pour cette raison, la méthode de l'excès d'alcali est adoptée, c'est-à-dire que le rapport molaire des substances acides et alcalines est de 1:2,2.

2.1.4 Effet de la température d'éthérification sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose

Plus la température d'éthérification est élevée, plus la vitesse de réaction est rapide, mais les réactions secondaires sont également accélérées.Du point de vue de l'équilibre chimique, l'augmentation de la température est défavorable à la formation de CMC, mais si la température est trop basse, la vitesse de réaction est lente et le taux d'utilisation de l'agent éthérifiant est faible.On peut voir que la température optimale pour l'éthérification est de 70°C.

2.1.5 Effet du temps d'éthérification sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose

Avec l'augmentation du temps d'éthérification, le degré de substitution de la CMC augmente et la vitesse de réaction est accélérée, mais après un certain temps, les réactions secondaires augmentent et le degré de substitution diminue.Lorsque le temps d'éthérification est de 100 minutes, le degré de substitution est maximum.

2.2 Résultats des tests orthogonaux et analyse des groupes carboxyméthyle

Il ressort du tableau d'analyse des variances que dans l'item principal, les quatre facteurs que sont le temps d'éthérification, la température d'éthérification, la quantité de NaOH et la quantité d'acide monochloroacétique ont un impact très significatif sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose (p <0,01) .Parmi les éléments d'interaction, les éléments d'interaction du temps d'éthérification et de la quantité d'acide monochloroacétique, ainsi que les éléments d'interaction de la température d'éthérification et de la quantité d'acide monochloroacétique ont eu un effet très significatif sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose (p <0,01).L'ordre d'influence de divers facteurs sur le degré de substitution de la carboxyméthylcellulose était : température d'éthérification > quantité d'acide monochloroacétique > temps d'éthérification > quantité de NaOH.

Après l'analyse des résultats des tests de la conception de combinaison de rotation orthogonale de régression quadratique, il peut être déterminé que les conditions de processus optimales pour la modification par carboxyméthylation sont : temps d'éthérification 100 min, température d'éthérification 70 min.℃, Dosage de NaOH 3,2 g et acide monochloroacétique Le dosage est de 3,0 g et le degré de substitution maximum est de 0,53.

2.3 Caractérisation microscopique des performances

La morphologie de surface des particules de cellulose, de carboxyméthylcellulose et de carboxyméthylcellulose réticulée a été étudiée par microscopie électronique à balayage.La cellulose se développe sous forme de bande avec une surface lisse ;le bord de la carboxyméthylcellulose est plus rugueux que celui de la cellulose extraite, la structure de la cavité augmente et le volume devient plus grand.En effet, la structure du faisceau s'agrandit en raison du gonflement de la carboxyméthylcellulose.

3. Conclusion

3.1 Préparation de cellulose carboxyméthylétherifiée L'ordre d'importance des quatre facteurs affectant le degré de substitution de la cellulose est : température d'éthérification > dosage d'acide monochloroacétique > temps d'éthérification > dosage de NaOH.Les conditions optimales du processus de modification par carboxyméthylation sont le temps d'éthérification de 100 minutes et la température d'éthérification de 70.℃, dosage de NaOH 3,2 g, dosage d'acide monochloroacétique 3,0 g et degré de substitution maximum 0,53.

3.2 Les conditions technologiques optimales de modification par carboxyméthylation sont : temps d'éthérification 100min, température d'éthérification 70℃, dosage de NaOH 3,2 g, dosage d'acide monochloroacétique 3,0 g, degré de substitution maximum 0,53.