Исследование получения суперабсорбирующего материала из эфира целлюлозы

Реферат: Были изучены процесс и характеристики продукта карбоксиметилцеллюлозы, сшитой N,N-метиленбисакриламидом, для получения суперабсорбирующей смолы, а также обсуждены концентрация щелочи, количество сшивающего агента, этерификация щелочью и растворитель. Влияние дозировки на характеристики водопоглощения продукта. Объясняется механизм адсорбции водопоглощающей смолы на воде. Исследования показали, что водоудерживающая способность (WRV) этого продукта достигает 114 мл/г.

Ключевые слова: эфир целлюлозы; метиленбисакриламид; подготовка

1. Введение

Супервпитывающая смола представляет собой полимерный материал с сильными гидрофильными группами и определенной степенью сшивки. Обычные водопоглощающие материалы, такие как бумага, хлопок и конопля, имеют низкую скорость водопоглощения и плохую водоудерживающую способность, в то время как суперабсорбирующие смолы могут поглощать воду в десятки раз больше собственного веса, а гель, образованный после поглощения воды, не обезвоживается даже с небольшим нажимом. Отличная водоудерживающая способность. Не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях.

В молекулярной цепи супервпитывающего материала из целлюлозы имеется большое количество гидроксильных групп, карбоксильных групп и ионов гидрата натрия. После поглощения воды вода окружена гидрофильной макромолекулярной сеткой и может удерживаться под внешним давлением. Когда вода увлажняет адсорбционную смолу, между смолой и водой образуется слой полупроницаемой мембраны. Из-за высокой концентрации подвижных ионов (Na+) в водопоглощающей смоле, в соответствии с принципом равновесия Доннана, эта разница концентраций ионов может вызвать осмотическое давление. Плохо, образуя слабое увлажнение и набухание, вода проходит через этот слой полупроницаемой мембраны и соединяется с гидрофильными группами и ионами на макромолекулах суперабсорбирующей смолы, снижая концентрацию подвижных ионов, тем самым проявляя высокое водопоглощение и набухание. Этот процесс адсорбции продолжается до тех пор, пока разница осмотического давления, вызванная разницей в концентрации подвижных ионов, не сравняется с сопротивлением дальнейшему расширению, вызванному силой сцепления молекулярной сетки полимерной смолы. Преимущества супервпитывающей смолы, полученной из целлюлозы: умеренная скорость водопоглощения, высокая скорость водопоглощения, хорошая стойкость к соленой воде, нетоксичность, легкость регулирования значения pH, способность разлагаться в природе и низкая стоимость, поэтому она имеет широкий спектр применения. спектр использования. Его можно использовать в качестве водоблокирующего агента, кондиционера почвы и водоудерживающего агента в промышленности и сельском хозяйстве. Кроме того, он имеет хорошие перспективы развития и применения в области здравоохранения, пищевых продуктов, микробиологии и медицины.

2. Экспериментальная часть

2.1 Экспериментальный принцип

Приготовление супервпитывающей смолы из хлопкового волокна в основном заключается в формировании поперечно-сшитой структуры с низкой степенью замещения на поверхности волокна. Сшивание с соединениями, которые обычно имеют две или более реакционноспособные функциональные группы. Функциональные группы, способные к сшивке, включают винил, гидроксил, карбоксильную, амидную, хлорангидридную, оксирановую, нитриловую и т. д. Коэффициент водопоглощения суперабсорбирующих смол, приготовленных с различными сшивающими агентами, различен. В этом эксперименте N,N-метиленбисакриламид используют в качестве сшивающего агента, включая следующие стадии:

(1) Целлюлоза (Rcell) реагирует с щелочным раствором с образованием щелочной целлюлозы, а реакция подщелачивания целлюлозы является быстрой экзотермической реакцией. Понижение температуры способствует образованию щелочных волокон и может тормозить их гидролиз. Добавление спиртов может усилить разложение целлюлозы, что способствует подщелачиванию и последующей этерификации.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Щелочная целлюлоза и монохлоруксусная кислота образуют натрийкарбоксиметилцеллюлозу, а реакция этерификации относится к реакции нуклеофильного замещения:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-метиленбисакриламид сшит с получением сверхабсорбирующей смолы. Поскольку в молекулярной цепи карбоксиметилового волокна все еще имеется большое количество гидроксильных групп, ионизация гидроксильной группы целлюлозы и ионизация акрилоильной двойной связи в молекулярной цепи N,N-метиленбисакриламида могут запускаться под действием щелочного катализа, а затем образование поперечных связей между молекулярными цепями целлюлозы происходит посредством конденсации Михаэля и немедленно подвергается протонному обмену с водой, превращаясь в водонерастворимую целлюлозную суперабсорбирующую смолу.

2.2 Сырье и инструменты

Сырье: гигроскопическая вата (нарезанная на пух), гидроксид натрия, монохлоруксусная кислота, N,N-метиленбисакриламид, абсолютный этанол, ацетон.

Приборы: трехгорлая колба, электрическая мешалка, обратный холодильник, колба с отсасывающим фильтром, воронка Бюхнера, сушильный шкаф, вакуумный насос циркуляционной воды.

2.3 Метод приготовления

2.3.1 Подщелачивание

Добавьте 1 г гигроскопической ваты в трехгорлую бутылку, затем добавьте определенное количество раствора гидроксида натрия и абсолютного этанола, поддерживайте температуру ниже комнатной и некоторое время перемешивайте.

2.3.2 Этерификация

Добавляют определенное количество хлоруксусной кислоты и перемешивают в течение 1 часа.

2.3.2 Сшивание

На более поздней стадии этерификации добавляли N,N-метиленбисакриламид в количестве, достаточном для осуществления сшивания, и перемешивали при комнатной температуре в течение 2 часов.

2.3.4 Постобработка

Используйте ледяную уксусную кислоту, чтобы довести значение pH до 7, смойте соль этанолом, смойте воду ацетоном, отфильтруйте с отсасыванием и высушите в вакууме в течение 4 часов (при температуре около 60°C, степень вакуума 8,8 кПа) для получения изделие из белой хлопчатобумажной нити.

2.4 Аналитическое тестирование

Скорость водопоглощения (WRV) определяют просеиванием, то есть 1 г продукта (G) добавляют в химический стакан, содержащий 100 мл дистиллированной воды (V1), вымачивают в течение 24 часов, фильтруют через сито из нержавеющей стали 200 меш. , и вода на дне экрана собирается (V2). Формула расчета следующая: WRV=(V1-V2)/G.

3. Результаты и обсуждение

3.1 Выбор условий реакции подщелачивания

В процессе производства щелочной целлюлозы действием хлопкового волокна и щелочного раствора условия процесса оказывают существенное влияние на характеристики продукта. Есть много факторов в реакции подщелачивания. Для удобства наблюдения принят ортогональный метод планирования эксперимента.

Другие условия: Растворитель — 20 мл абсолютного этанола, соотношение щелочи и этерифицирующего агента (моль/мл) — 3:1, сшивающий агент — 0,05 г.

Экспериментальные результаты показывают, что: первичное и вторичное соотношение: C>A>B, наилучшее соотношение: A3B3C3. Концентрация щелочи является наиболее важным фактором в реакции подщелачивания. Высокая концентрация щелочи способствует образованию щелочной целлюлозы. Однако следует отметить, что чем выше концентрация щелочи, тем больше содержание солей в приготовленной сверхабсорбирующей смоле. Поэтому при промывании соли этанолом промывайте ее несколько раз, чтобы убедиться, что соль в продукте удалена, чтобы не повлиять на водопоглощающую способность продукта.

3.2 Влияние дозировки сшивающего агента на WRV продукта

Условия эксперимента: 20 мл абсолютного этанола, отношение щелочи к этерифицирующему агенту 2,3:1, 20 мл щелочи и 90 мин подщелачивания.

Результаты показали, что количество сшивающего агента влияет на степень сшивания КМЦ-Na. Чрезмерная сшивка приводит к плотной сетчатой структуре в пространстве изделия, которая характеризуется низкой скоростью водопоглощения и плохой эластичностью после водопоглощения; когда количество сшивающего агента мало, сшивка неполная, и присутствуют водорастворимые продукты, которые также влияют на скорость водопоглощения. Когда количество сшивающего агента меньше 0,06 г, скорость водопоглощения увеличивается с увеличением количества сшивающего агента, когда количество сшивающего агента превышает 0,06 г, скорость водопоглощения снижается. с количеством сшивающего агента. Поэтому дозировка сшивающего агента составляет около 6% от массы хлопкового волокна.

3.3 Влияние условий этерификации на продукт WRV

Условия эксперимента: концентрация щелочи 40%; объем щелочи 20мл; абсолютный этанол 20мл; дозировка сшивающего агента 0,06 г; подщелачивание 90мин.

Из формулы химической реакции соотношение щелочи и эфира (NaOH:CICH2-COOH) должно быть 2:1, но фактическое количество используемой щелочи больше, чем это соотношение, потому что в реакционной системе должна быть гарантирована определенная концентрация свободной щелочи. , потому что: определенная более высокая концентрация свободного основания способствует завершению реакции подщелачивания; реакцию сшивания необходимо проводить в щелочных условиях; некоторые побочные реакции потребляют щелочь. Однако, если количество щелочи будет добавлено слишком много, щелочное волокно будет серьезно разрушено, и в то же время эффективность этерифицирующего агента будет снижена. Эксперименты показывают, что отношение щелочи к эфиру составляет примерно 2,5:1.

3.4 Влияние количества растворителя

Условия эксперимента: концентрация щелочи 40%; дозировка щелочи 20мл; соотношение щелочь-эфир 2,5:1; дозировка сшивающего агента 0,06г, подщелачивание 90мин.

Растворитель безводный этанол играет роль диспергирования, гомогенизации и поддержания суспензионного состояния системы, что выгодно для диспергирования и передачи тепла, выделяющегося при образовании щелочной целлюлозы, и может уменьшить реакцию гидролиза щелочной целлюлозы, тем самым получая однородную целлюлоза . Однако, если количество добавляемого спирта будет слишком большим, щелочь и монохлорацетат натрия будут растворяться в нем, концентрация реагентов снизится, скорость реакции уменьшится, что также отрицательно скажется на последующем сшивании. Когда количество абсолютного этанола составляет 20 мл, значение WRV велико.

Таким образом, наиболее подходящими условиями для получения супервпитывающей смолы из гигроскопической хлопчатобумажной алкализированной и этерифицированной карбоксиметилцеллюлозы, сшитой N,N-метиленбисакриламидом, являются: концентрация щелочи 40%, 20 мл воды и этанола без растворителя, соотношение щелочи и эфира составляет 2,5:1, а дозировка сшивателя составляет 0,06 г (6% от количества хлопкового линта).