Celulose CMC e Caracterização de Sua Estrutura

Utilizando palha de celulose como matéria-prima, ela foi modificada por eterificação.Através do teste de fator único e rotação, as condições ótimas para a preparação da carboximetilcelulose foram determinadas como: tempo de eterificação 100min, temperatura de eterificação 70℃, Dosagem de NaOH 3,2g e dosagem de ácido monocloroacético 3,0g, o grau máximo de substituição é 0,53.

Palavras-chave: CMCcelulose;ácido monocloroacético;eterificação;modificação

Carboximetilceluloseé o éter de celulose mais produzido e vendido no mundo.É amplamente utilizado em detergentes, alimentos, pasta de dente, têxteis, impressão e tingimento, fabricação de papel, petróleo, mineração, medicina, cerâmica, componentes eletrônicos, borracha, tintas, pesticidas, cosméticos, couro, plásticos e perfuração de petróleo, etc., conhecido como “glutamato monossódico industrial”.A carboximetilcelulose é um derivado do éter de celulose solúvel em água obtido pela modificação química da celulose natural.A celulose, principal matéria-prima para a produção da carboximetilcelulose, é um dos recursos naturais renováveis ​​mais abundantes do planeta, com uma produção anual de centenas de bilhões de toneladas.o meu país é um grande país agrícola e um dos países com recursos de palha mais abundantes.A palha sempre foi um dos principais combustíveis de vida dos residentes rurais.Há muito tempo que estes recursos não são desenvolvidos de forma racional e menos de 2% dos resíduos agrícolas e florestais, como a palha, são utilizados no mundo todos os anos.O arroz é a principal cultura económica na província de Heilongjiang, com uma área de plantação de mais de 2 milhões de hm2, uma produção anual de 14 milhões de toneladas de arroz e 11 milhões de toneladas de palha.Os agricultores geralmente os queimam diretamente no campo como resíduos, o que não só representa um enorme desperdício de recursos naturais, mas também causa grave poluição ao meio ambiente.Portanto, perceber a utilização dos recursos da palha é a necessidade da estratégia de desenvolvimento sustentável da agricultura.

1. Materiais e métodos experimentais

1.1 Materiais e equipamentos experimentais

Celulose de palha, de fabricação própria em laboratório;JJ～1 tipo de misturador elétrico, Jintan Guowang Experimental Instrument Factory;SHZW2C tipo RS-Uma bomba de vácuo, Shanghai Pengfu Electromechanical Co., Ltd.;Medidor de pH pHS-3C, Mettler-Toledo Co., Ltd.;Forno de secagem de temperatura constante de aquecimento elétrico DGG-9070A, Beijing North Lihui Test Instrument Equipment Co., Ltd.;Microscópio eletrônico de varredura HITACHI-S ~ 3400N, Hitachi Instruments;etanol;hidróxido de sódio;ácido cloroacético, etc. (os reagentes acima são analiticamente puros).

1.2 Método experimental

1.2.1 Preparação de carboximetilcelulose

(1) O método de preparação da carboximetilcelulose: pesar 2 g de celulose em um frasco de três bocas, adicionar 2,8 g de NaOH, 20 mL de solução de etanol a 75% e mergulhar em álcali em banho-maria com temperatura constante a 25°C por 80 minutos.Mexa com uma batedeira para combinar bem.Durante este processo, a celulose reage com a solução alcalina para formar celulose alcalina.Na etapa de eterificação, adicione 10 mL de solução de etanol a 75% e 3 g de ácido cloroacético ao frasco de três bocas reagido acima, aumente a temperatura para 65-70° C., e reagir por 60 minutos.Adicione álcali pela segunda vez e, em seguida, adicione 0,6 g de NaOH ao balão de reação acima para manter a temperatura em 70°C, e o tempo de reação é de 40 minutos para obter Na bruto-CMC (carboximetilcelulose sódica).

Neutralização e lavagem: adicionar 1moL·L-1 ácido clorídrico e neutralizar a reação à temperatura ambiente até pH=7~8.Em seguida, lave duas vezes com etanol a 50%, depois lave uma vez com etanol a 95%, filtre com sucção e seque a 80-90ºC.°C por 2 horas.

(2) Determinação do grau de substituição da amostra: método de determinação do medidor de acidez: pesar 0,2g (com precisão de 0,1mg) da amostra de Na-CMC purificada e seca, dissolvê-la em 80mL de água destilada, agitar eletromagneticamente por 10min e ajustar com ácido ou álcali A solução trouxe o pH da solução para 8. Em seguida, titule a solução de teste com solução padrão de ácido sulfúrico em um béquer equipado com um eletrodo medidor de pH e observe a indicação do medidor de pH enquanto titula até que o pH seja 3,74.Anote o volume de solução padrão de ácido sulfúrico utilizado.

1.2.2 Método de teste de fator único

(1) O efeito da quantidade de álcali no grau de substituição da carboximetilcelulose: realizar a alcalinização a 25℃, imersão em álcali por 80 minutos, a concentração em solução de etanol é de 75%, controle a quantidade de reagente de ácido monocloroacético 3g, a temperatura de eterificação é de 65 ~ 70°C, o tempo de eterificação foi de 100 minutos, e a quantidade de hidróxido de sódio foi alterada para o teste.

(2) O efeito da concentração da solução de etanol no grau de substituição da carboximetilcelulose: a quantidade de álcali fixo é de 3,2g, imersão alcalina em banho-maria de temperatura constante a 25°C por 80 minutos, a concentração da solução de etanol é de 75%, a quantidade de reagente de ácido monocloroacético é controlada em 3g, eterificação A temperatura é de 65-70°C, o tempo de eterificação é de 100min, e a concentração da solução de etanol é alterada para o experimento.

(3) O efeito da quantidade de ácido monocloroacético no grau de substituição da carboximetilcelulose: fixar em 25°C para alcalinização, mergulhe em álcali por 80 minutos, adicione 3,2g de hidróxido de sódio para fazer a concentração da solução de etanol 75%, éter A temperatura é 65 ~ 70°C, o tempo de eterificação é de 100 minutos e a quantidade de ácido monocloroacético é alterada para experimento.

(4) Efeito da temperatura de eterificação no grau de substituição da carboximetilcelulose: fixar em 25°C para alcalinização, mergulhe em álcali por 80 minutos, adicione 3,2g de hidróxido de sódio para fazer a concentração da solução de etanol 75%, temperatura de eterificação A temperatura é 65 ~ 70℃, o tempo de eterificação é de 100min, e o experimento é realizado alterando a dosagem do ácido monocloroacético.

(5) Efeito do tempo de eterificação no grau de substituição da carboximetilcelulose: fixado em 25°C para alcalinização, adicionado 3,2g de hidróxido de sódio e embebido em álcali por 80min para tornar a concentração da solução de etanol 75% e monocloro controlado A dosagem do reagente ácido acético é 3g, a temperatura de eterificação é 65 ~ 70°C, e o tempo de eterificação é alterado para experimento.

1.2.3 Plano de teste e otimização de carboximetilcelulose

Com base no experimento de fator único, foi projetado um experimento combinado de rotação ortogonal de regressão quadrática com quatro fatores e cinco níveis.Os quatro fatores são o tempo de eterificação, a temperatura de eterificação, a quantidade de NaOH e a quantidade de ácido monocloroacético.O processamento de dados utiliza software estatístico SAS8.2 para processamento de dados, que revela a relação entre cada fator de influência e o grau de substituição da carboximetilcelulose.lei interior.

1.2.4 Método de análise SEM

A amostra de pó seco foi fixada no suporte de amostra com cola condutora e, após pulverização de ouro a vácuo, foi observada e fotografada sob um microscópio eletrônico de varredura Hitachi-S-3400N Hitachi.

2. Resultados e análises

2.1 Efeito de fator único no grau de substituição da carboximetilcelulose

2.1.1 O efeito da quantidade de álcali no grau de substituição da carboximetilcelulose

Quando NaOH3,2g foi adicionado a 2g de celulose, o grau de substituição do produto foi maior.A quantidade de NaOH é reduzida, o que não é suficiente para formar a neutralização da celulose alcalina e do agente de eterificação, e o produto apresenta pequeno grau de substituição e baixa viscosidade.Pelo contrário, se a quantidade de NaOH for demasiado elevada, as reacções secundárias durante a hidrólise do ácido cloroacético aumentarão, o consumo de agente eterificante aumentará e a viscosidade do produto também diminuirá.

2.1.2 Efeito da concentração da solução de etanol no grau de substituição da carboximetilcelulose

Parte da água da solução de etanol existe no meio reacional fora da celulose e a outra parte existe na celulose.Se o teor de água for muito grande, o CMC irá inchar na água para formar geleia durante a eterificação, resultando em uma reação muito desigual;se o teor de água for muito pequeno, a reação será difícil de prosseguir devido à falta de meio de reação.Geralmente, o etanol a 80% é o solvente mais adequado.

2.1.3 Efeito da dosagem de ácido monocloroacético no grau de substituição da carboximetilcelulose

A quantidade de ácido monocloroacético e hidróxido de sódio é teoricamente 1:2, mas para mover a reação na direção de geração de CMC, certifique-se de que haja uma base livre adequada no sistema de reação, para que a carboximetilação possa prosseguir sem problemas.Por esse motivo, adota-se o método do excesso de álcali, ou seja, a proporção molar de substâncias ácidas e alcalinas é de 1:2,2.

2.1.4 Efeito da temperatura de eterificação no grau de substituição da carboximetilcelulose

Quanto maior a temperatura de eterificação, mais rápida será a taxa de reação, mas as reações secundárias também são aceleradas.Do ponto de vista do equilíbrio químico, o aumento da temperatura é desfavorável à formação de CMC, mas se a temperatura for muito baixa, a taxa de reação é lenta e a taxa de utilização do agente eterificante é baixa.Pode-se observar que a temperatura ótima para eterificação é 70°C.

2.1.5 Efeito do tempo de eterificação no grau de substituição da carboximetilcelulose

Com o aumento do tempo de eterificação, o grau de substituição do CMC aumenta e a velocidade da reação é acelerada, mas depois de um certo tempo, as reações colaterais aumentam e o grau de substituição diminui.Quando o tempo de eterificação é de 100 minutos, o grau de substituição é máximo.

2.2 Resultados de testes ortogonais e análise de grupos carboximetil

Pode-se observar na tabela de análise de variância que no item primário, os quatro fatores tempo de eterificação, temperatura de eterificação, quantidade de NaOH e quantidade de ácido monocloroacético têm um impacto muito significativo no grau de substituição da carboximetilcelulose (p <0,01).Dentre os itens de interação, os itens de interação tempo de eterificação e quantidade de ácido monocloroacético, e os itens de interação temperatura de eterificação e quantidade de ácido monocloroacético tiveram efeito muito significativo no grau de substituição da carboximetilcelulose (p<0,01).A ordem de influência de vários fatores no grau de substituição da carboximetilcelulose foi: temperatura de eterificação > quantidade de ácido monocloroacético > tempo de eterificação > quantidade de NaOH.

Após a análise dos resultados do teste do projeto de combinação de rotação ortogonal de regressão quadrática, pode-se determinar que as condições ideais do processo para modificação da carboximetilação são: tempo de eterificação 100min, temperatura de eterificação 70℃, Dosagem de NaOH 3,2g e ácido monocloroacético A dosagem é de 3,0g, e o grau máximo de substituição é de 0,53.

2.3 Caracterização microscópica do desempenho

A morfologia superficial da celulose, carboximetilcelulose e partículas de carboximetilcelulose reticuladas foi estudada por microscopia eletrônica de varredura.A celulose cresce em forma de tira com superfície lisa;a borda da carboximetilcelulose é mais áspera que a da celulose extraída, e a estrutura da cavidade aumenta e o volume torna-se maior.Isto ocorre porque a estrutura do feixe torna-se maior devido ao inchaço da carboximetilcelulose.

3. Conclusão

3.1 Preparação de celulose carboximetil eterificada A ordem de importância dos quatro fatores que afetam o grau de substituição da celulose é: temperatura de eterificação > dosagem de ácido monocloroacético > tempo de eterificação > dosagem de NaOH.As condições ideais do processo de modificação da carboximetilação são tempo de eterificação 100min, temperatura de eterificação 70℃, dosagem de NaOH 3,2g, dosagem de ácido monocloroacético 3,0g e grau máximo de substituição 0,53.

3.2 As condições tecnológicas ideais para modificação da carboximetilação são: tempo de eterificação 100min, temperatura de eterificação 70℃, Dosagem de NaOH 3,2g, dosagem de ácido monocloroacético 3,0g, grau máximo de substituição 0,53.