CMC-cellulose en zijn structuurkarakterisering

Met strocellulose als grondstof werd het gemodificeerd door verethering.Via de enkele factor- en rotatietest werden de optimale omstandigheden voor de bereiding van carboxymethylcellulose bepaald als: veretheringstijd 100 minuten, veretheringstemperatuur 70°C.℃, NaOH-dosering 3,2 g en monochloorazijnzuurdosering 3,0 g, de maximale substitutiegraad is 0,53.

Trefwoorden: CMCcellulose;monochloorazijnzuur;verethering;wijziging

Carboxymethylcelluloseis de meest geproduceerde en verkochte cellulose-ether ter wereld.Het wordt veel gebruikt in wasmiddelen, voedsel, tandpasta, textiel, bedrukken en verven, papierproductie, aardolie, mijnbouw, medicijnen, keramiek, elektronische componenten, rubber, verven, pesticiden, cosmetica, leer, kunststoffen en olieboringen, enz., bekend als “industrieel mononatriumglutamaat”.Carboxymethylcellulose is een in water oplosbaar cellulose-etherderivaat dat wordt verkregen door natuurlijke cellulose chemisch te modificeren.Cellulose, de belangrijkste grondstof voor de productie van carboxymethylcellulose, is een van de meest voorkomende natuurlijke hernieuwbare hulpbronnen op aarde, met een jaarlijkse productie van honderden miljarden tonnen.Mijn land is een groot landbouwland en een van de landen met de meest overvloedige strovoorraden.Stro is altijd een van de belangrijkste levende brandstoffen voor plattelandsbewoners geweest.Deze hulpbronnen zijn al lange tijd niet rationeel ontwikkeld en jaarlijks wordt in de wereld minder dan 2% van het land- en bosbouwafval, zoals stro, gebruikt.Rijst is het belangrijkste economische gewas in de provincie Heilongjiang, met een plantoppervlak van ruim 2 miljoen hm2, een jaarlijkse productie van 14 miljoen ton rijst en 11 miljoen ton stro.Boeren verbranden ze over het algemeen rechtstreeks op het veld als afval, wat niet alleen een enorme verspilling van natuurlijke hulpbronnen is, maar ook ernstige vervuiling van het milieu veroorzaakt.Daarom is het realiseren van het gebruik van de hulpbronnen van stro de noodzaak van de duurzame ontwikkelingsstrategie van de landbouw.

1. Experimentele materialen en methoden

1.1 Experimentele materialen en apparatuur

Strocellulose, zelfgemaakt in het laboratorium;JJ~1 type elektrische mixer, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory;SHZW2C type RS—Een vacuümpomp, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.;pHS-3C pH-meter, Mettler-Toledo Co., Ltd.;DGG-9070A elektrische verwarming droogoven met constante temperatuur, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.;HITACHI-S ~ 3400N scanning-elektronenmicroscoop, Hitachi Instruments;ethanol;natriumhydroxide;chloorazijnzuur, enz. (de bovenstaande reagentia zijn analytisch zuiver).

1.2 Experimentele methode

1.2.1 Bereiding van carboxymethylcellulose

(1) De bereidingsmethode van carboxymethylcellulose: Weeg 2 g cellulose af in een driehalskolf, voeg 2,8 g NaOH, 20 ml 75% ethanoloplossing toe en week in alkali in een waterbad met constante temperatuur van 25 °C.°C gedurende 80 minuten.Roer met een mixer om goed te combineren.Tijdens dit proces reageert cellulose met een alkalische oplossing om alkalicellulose te vormen.Voeg in de veretheringsfase 10 ml 75% ethanoloplossing en 3 g chloorazijnzuur toe aan de hierboven gereageerde driehalskolf en verhoog de temperatuur tot 65-70 °C.° C., en laat 60 minuten reageren.Voeg voor de tweede keer alkali toe en voeg vervolgens 0,6 g NaOH toe aan de bovenstaande reactiekolf om de temperatuur op 70°C te houden.°C, en de reactietijd bedraagt ​​40 minuten om ruw Na te verkrijgen—CMC (natriumcarboxymethylcellulose).

Neutralisatie en wassen: voeg 1moL toe·L-1 zoutzuur, en neutraliseer de reactie bij kamertemperatuur tot pH=7~8.Vervolgens tweemaal wassen met 50% ethanol, daarna eenmaal wassen met 95% ethanol, filtreren met afzuiging en drogen bij 80-90°C.°C gedurende 2 uur.

(2) Bepaling van de mate van monstervervanging: bepalingsmethode van de zuurgraadmeter: Weeg 0,2 g (nauwkeurig tot 0,1 mg) van het gezuiverde en gedroogde Na-CMC-monster, los het op in 80 ml gedestilleerd water, roer het gedurende 10 minuten elektromagnetisch en pas het aan met zuur of alkali. De oplossing bracht de pH van de oplossing op 8. Titreer vervolgens de testoplossing met standaard zwavelzuuroplossing in een bekerglas uitgerust met een pH-meterelektrode, en let tijdens het titreren op de indicatie van de pH-meter totdat de pH is bereikt. 3,74.Noteer het gebruikte volume zwavelzuur-standaardoplossing.

1.2.2 Testmethode met één factor

(1) Het effect van de hoeveelheid alkali op de mate van substitutie van carboxymethylcellulose: voer alkalisatie uit bij 25°C.℃, alkalische onderdompeling gedurende 80 minuten, de concentratie in ethanoloplossing is 75%, controle van de hoeveelheid monochloorazijnzuurreagens 3g, veretheringstemperatuur is 65 ~ 70°C, de veretheringstijd was 100 minuten, en de hoeveelheid natriumhydroxide werd voor de test veranderd.

(2) Het effect van de concentratie van de ethanoloplossing op de mate van substitutie van carboxymethylcellulose: de hoeveelheid gefixeerde alkali is 3,2 g, alkalische onderdompeling in een waterbad met constante temperatuur van 25°C.°C gedurende 80 minuten, de concentratie van de ethanoloplossing is 75%, de hoeveelheid monochloorazijnzuurreagens wordt gecontroleerd op 3 g, verethering De temperatuur is 65-70°C°C, de veretheringstijd is 100 minuten en de concentratie van de ethanoloplossing wordt voor het experiment gewijzigd.

(3) Het effect van de hoeveelheid monochloorazijnzuur op de mate van substitutie van carboxymethylcellulose: vastgesteld op 25°C voor alkalisatie, week in alkali gedurende 80 minuten, voeg 3,2 g natriumhydroxide toe om de concentratie van de ethanoloplossing 75% te maken, ether. De temperatuur is 65 ~ 70 ° C°C, de veretheringstijd is 100 minuten en de hoeveelheid monochloorazijnzuur wordt voor experiment veranderd.

(4) Effect van de veretheringstemperatuur op de substitutiegraad van carboxymethylcellulose: vastzetten op 25°C voor alkalisatie, week in alkali gedurende 80 minuten, voeg 3,2 g natriumhydroxide toe om de concentratie van de ethanoloplossing 75% te maken, veretheringstemperatuur De temperatuur is 65 ~ 70 ° C℃De veretheringstijd bedraagt ​​100 minuten en het experiment wordt uitgevoerd door de dosering monochloorazijnzuur te veranderen.

(5) Effect van de veretheringstijd op de substitutiegraad van carboxymethylcellulose: vastgesteld op 25°C voor alkalisatie, 3,2 g natriumhydroxide toegevoegd en 80 minuten in alkali gedrenkt om de concentratie van de ethanoloplossing 75% te maken, en gecontroleerd monochloor. De dosering van azijnzuurreagens is 3 g, de veretheringstemperatuur is 65 ~ 70 ° C.°C, en de veretheringstijd wordt gewijzigd voor experiment.

1.2.3 Testplan en optimalisatie van carboxymethylcellulose

Op basis van het experiment met één factor werd een gecombineerd experiment met kwadratische regressie-orthogonale rotatie met vier factoren en vijf niveaus ontworpen.De vier factoren zijn de veretheringstijd, de veretheringstemperatuur, de hoeveelheid NaOH en de hoeveelheid monochloorazijnzuur.Bij de gegevensverwerking wordt voor de gegevensverwerking gebruik gemaakt van statistische software SAS8.2, die de relatie tussen elke beïnvloedende factor en de mate van substitutie van carboxymethylcellulose blootlegt.innerlijke wet.

1.2.4 SEM-analysemethode

Het gedroogde poedermonster werd met geleidende lijm op het monsterplatform gefixeerd en na het vacuümspuiten van goud werd het waargenomen en gefotografeerd onder een Hitachi-S-3400N Hitachi scanning-elektronenmicroscoop.

2. Resultaten en analyse

2.1 Effect van een enkele factor op de substitutiegraad van carboxymethylcellulose

2.1.1 Het effect van de hoeveelheid alkali op de mate van substitutie van carboxymethylcellulose

Wanneer NaOH 3,2 g aan 2 g cellulose werd toegevoegd, was de substitutiegraad van het product het hoogst.De hoeveelheid NaOH is verminderd, wat niet genoeg is om de neutralisatie van alkalische cellulose en veretheringsmiddel te vormen, en het product heeft een kleine substitutiegraad en lage viscositeit.Als de hoeveelheid NaOH daarentegen te groot is, zullen de nevenreacties tijdens de hydrolyse van chloorazijnzuur toenemen, zal het verbruik van veretheringsmiddel toenemen en zal de viscositeit van het product ook afnemen.

2.1.2 Effect van de concentratie van de ethanoloplossing op de mate van substitutie van carboxymethylcellulose

Een deel van het water in de ethanoloplossing bevindt zich in het reactiemedium buiten de cellulose, en het andere deel bevindt zich in de cellulose.Als het watergehalte te groot is, zal CMC tijdens de verethering in water opzwellen en gelei vormen, wat resulteert in een zeer ongelijkmatige reactie;als het watergehalte te klein is, zal de reactie moeilijk kunnen verlopen vanwege het gebrek aan reactiemedium.Over het algemeen is 80% ethanol het meest geschikte oplosmiddel.

2.1.3 Effect van de dosering monochloorazijnzuur op de mate van substitutie van carboxymethylcellulose

De hoeveelheid monochloorazijnzuur en natriumhydroxide is theoretisch 1:2, maar om de reactie in de richting van het genereren van CMC te brengen, moet u ervoor zorgen dat er een geschikte vrije base in het reactiesysteem aanwezig is, zodat de carboxymethylering soepel kan verlopen.Om deze reden wordt de methode van overmaat alkali toegepast, dat wil zeggen dat de molaire verhouding van zure en alkalische stoffen 1:2,2 is.

2.1.4 Effect van veretheringstemperatuur op de substitutiegraad van carboxymethylcellulose

Hoe hoger de veretheringstemperatuur, hoe sneller de reactiesnelheid, maar ook de nevenreacties worden versneld.Vanuit het perspectief van het chemische evenwicht is een stijgende temperatuur ongunstig voor de vorming van CMC, maar als de temperatuur te laag is, is de reactiesnelheid laag en de benuttingsgraad van het veretheringsmiddel laag.Het is duidelijk dat de optimale temperatuur voor verethering 70°C is°C.

2.1.5 Effect van de veretheringstijd op de substitutiegraad van carboxymethylcellulose

Met het toenemen van de veretheringstijd neemt de substitutiegraad van CMC toe en wordt de reactiesnelheid versneld, maar na een bepaalde tijd nemen de nevenreacties toe en neemt de substitutiegraad af.Wanneer de veretheringstijd 100 minuten bedraagt, is de substitutiegraad maximaal.

2.2 Orthogonale testresultaten en analyse van carboxymethylgroepen

Uit de variantieanalysetabel blijkt dat in het primaire item de vier factoren veretheringstijd, veretheringstemperatuur, de hoeveelheid NaOH en de hoeveelheid monochloorazijnzuur een zeer significante invloed hebben op de mate van substitutie van carboxymethylcellulose (p <0,01).Van de interactie-items hadden de interactie-items van veretheringstijd en de hoeveelheid monochloorazijnzuur, en de interactie-items van veretheringstemperatuur en de hoeveelheid monochloorazijnzuur een zeer significant effect op de mate van substitutie van carboxymethylcellulose (p<0,01).De volgorde van invloed van verschillende factoren op de mate van substitutie van carboxymethylcellulose was: veretheringstemperatuur>de hoeveelheid monochloorazijnzuur>veretheringstijd>de hoeveelheid NaOH.

Na de analyse van de testresultaten van het kwadratische regressie-orthogonale rotatiecombinatieontwerp kan worden bepaald dat de optimale procesomstandigheden voor carboxymethyleringsmodificatie zijn: veretheringstijd 100 min, veretheringstemperatuur 70℃, NaOH-dosering 3,2 g en monochloorazijnzuur De dosering is 3,0 g en de maximale substitutiegraad is 0,53.

2.3 Microscopische prestatiekarakterisering

De oppervlaktemorfologie van cellulose, carboxymethylcellulose en verknoopte carboxymethylcellulosedeeltjes werd bestudeerd met behulp van scanning-elektronenmicroscopie.De cellulose groeit in strookvorm met een glad oppervlak;de rand van carboxymethylcellulose is ruwer dan die van de geëxtraheerde cellulose, en de holtestructuur neemt toe en het volume wordt groter.Dit komt doordat de bundelstructuur groter wordt door het zwellen van carboxymethylcellulose.

3. Conclusie

3.1 Bereiding van carboxymethyl-veretherde cellulose De volgorde van belangrijkheid van de vier factoren die de mate van substitutie van cellulose beïnvloeden is: veretheringstemperatuur > dosis monochloorazijnzuur > veretheringstijd > NaOH-dosering.De optimale procesomstandigheden voor modificatie van de carboxymethylering zijn een veretheringstijd van 100 minuten en een veretheringstemperatuur van 70 minuten℃, NaOH-dosering 3,2 g, monochloorazijnzuurdosering 3,0 g en maximale substitutiegraad 0,53.

3.2 De optimale technologische omstandigheden voor carboxymethyleringsmodificatie zijn: veretheringstijd 100 minuten, veretheringstemperatuur 70℃, NaOH-dosering 3,2 g, monochloorazijnzuurdosering 3,0 g, maximale substitutiegraad 0,53.