交聯(lián)羧甲基瓜爾膠的制備

陳娜麗，馮輝霞，趙 霞，張 娟

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅蘭州730050）

交聯(lián)羧甲基瓜爾膠的制備

陳娜麗，馮輝霞*，趙 霞，張 娟

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅蘭州730050）

以植物瓜爾膠為原料、環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑、氯乙酸為羧甲基化試劑，制備了交聯(lián)羧甲基瓜爾膠。研究了環(huán)氧氯丙烷的用量、氯乙酸的用量、氫氧化鈉的用量及反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品取代度的影響；考查了產(chǎn)品糊的耐溫性能，并用FT-IR對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：配料質(zhì)量比瓜爾膠∶環(huán)氧氯丙烷∶氫氧化鈉∶氯乙酸為1.00∶0.015∶0.45∶0.40，反應(yīng)溫度50℃時(shí)，產(chǎn)品的取代度達(dá)最高0.340。FT-IR分析結(jié)果表明，瓜爾膠分子中引入了羧甲基基團(tuán)，交聯(lián)羧甲基瓜爾膠成功制備。與原瓜爾膠糊相比，產(chǎn)品糊的耐溫性能得到改善。

瓜爾膠，交聯(lián)羧甲基，制備，取代度，耐溫性能

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

瓜爾膠粉 工業(yè)級(jí)，甘肅慶陽(yáng)市井下化工廠；乙醇 分析純，天津市富宇精細(xì)化工有限公司；氫氧化鈉 分析純，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠；氯乙酸分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；環(huán)氧氯丙烷 分析純，天津市化學(xué)試劑六廠三分廠；其他試劑 均為分析純。

HHS11-2型電熱恒溫水浴鍋，DJ1C型電動(dòng)攪拌器，離心機(jī)，NDJ-7型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 交聯(lián)羧甲基瓜爾膠的制備[5]將10g瓜爾膠粉和20mL 95%乙醇置于250mL三口燒瓶中，裝上回流冷凝管，充分?jǐn)嚢杈鶆?，制成瓜爾膠乳液。然后用5%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH為11，水浴加熱?？販?5℃后，加入一定質(zhì)量的環(huán)氧氯丙烷，反應(yīng)1h制得交聯(lián)瓜爾膠。上述交聯(lián)瓜爾膠冷卻至25℃后，加入一定質(zhì)量的氫氧化鈉固體預(yù)處理30min。然后在預(yù)處理液中加入一定質(zhì)量的氯乙酸，控溫45～65℃，反應(yīng)時(shí)間4h。反應(yīng)完畢后用鹽酸中和至近中性（pH6～7），趁熱過(guò)濾，所得濾餅用95%乙醇洗滌至濾液無(wú)白色絮狀沉淀（用2%硝酸銀檢驗(yàn)）。然后50℃下真空干燥，干餅粉碎后得微黃色粉末。

1.2.2 取代度的測(cè)定 參考文獻(xiàn)[6]羧甲基淀粉取代度的測(cè)定方法測(cè)定交聯(lián)羧甲基瓜爾膠的取代度。

1.2.3 沉降積的測(cè)定 交聯(lián)瓜爾膠的沉降積越小，交聯(lián)度越大，故以沉降積為指標(biāo)間接測(cè)定交聯(lián)瓜爾膠的交聯(lián)度。采用離心沉降法測(cè)定交聯(lián)羧甲基瓜爾膠的沉降積[7]。

1.2.4 表觀粘度的測(cè)定 準(zhǔn)確稱取原瓜爾膠粉及交聯(lián)羧甲基瓜爾膠粉，分別加入蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的瓜爾膠乳，攪拌使之充分分散，然后在沸水浴中加熱糊化10min后，在25～75℃范圍內(nèi)，采用NDJ-7型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測(cè)定瓜爾膠糊的表觀粘度，以考查其表觀粘度的耐溫性能[8]。

1.3 FT-IR測(cè)試

采用NicoletAVTAR360FT-IR型紅外光譜儀，溴化鉀壓片，在4000～400cm-1范圍內(nèi)攝譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)羧甲基瓜爾膠制備工藝條件的確定

2.1.1 環(huán)氧氯丙烷用量對(duì)反應(yīng)的影響 環(huán)氧氯丙烷作為反應(yīng)的交聯(lián)劑，其用量的大小對(duì)反應(yīng)及產(chǎn)品的性能有較大的影響。本文考查了環(huán)氧氯丙烷用量對(duì)產(chǎn)品沉降積和取代度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 環(huán)氧氯丙烷用量對(duì)產(chǎn)品取代度和沉降積的影響

由圖1可知，環(huán)氧氯丙烷用量小于0.150g時(shí)，隨著環(huán)氧氯丙烷用量的增加，產(chǎn)品的沉降積減?。唇宦?lián)度變大），取代度升高；環(huán)氧氯丙烷用量高于0.150g時(shí)，產(chǎn)品的沉降積繼續(xù)減?。唇宦?lián)度繼續(xù)變大），取代度反而快速降低。交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷的濃度越大，越有利于交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，因而產(chǎn)品的交聯(lián)度隨環(huán)氧氯丙烷用量的增加而增大。一定范圍內(nèi)的交聯(lián)作用使瓜爾膠分子鏈相互靠近，增加了其與氯乙酸分子的碰撞幾率，從而使產(chǎn)品的取代度升高；但交聯(lián)度過(guò)高，羧甲基化反應(yīng)的空間位阻增大，阻礙羧甲基化反應(yīng)的進(jìn)行，造成產(chǎn)品取代度的降低。由此可以得出環(huán)氧氯丙烷與瓜爾膠反應(yīng)的最佳質(zhì)量比為m（瓜爾膠）∶m（環(huán)氧氯丙烷）=1∶0.015。

2.1.2 氯乙酸用量對(duì)羧甲基化反應(yīng)的影響 羧甲基化試劑氯乙酸的用量對(duì)產(chǎn)品取代度的大小有直接的影響。實(shí)驗(yàn)研究了氯乙酸用量對(duì)產(chǎn)品取代度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 氯乙酸用量對(duì)產(chǎn)品取代度的影響

從圖2可以看出，產(chǎn)品的取代度在一定范圍內(nèi)隨著氯乙酸用量的增加而升高，并于氯乙酸用量為4.0g時(shí)，達(dá)到較大值，此后隨氯乙酸用量的增加，產(chǎn)品的取代度逐漸降低。氯乙酸作為羧甲基化反應(yīng)的反應(yīng)物，濃度較高時(shí)，可以加速羧甲基化反應(yīng)，促使羧甲基化反應(yīng)的進(jìn)行，提高產(chǎn)品的取代度；但當(dāng)反應(yīng)體系中氯乙酸濃度超過(guò)一定值之后，使體系的酸度增強(qiáng)，不利于羧甲基化反應(yīng)的進(jìn)行，若進(jìn)一步增加氯乙酸用量，就會(huì)使產(chǎn)品的取代度降低。由此可以確定氯乙酸與瓜爾膠反應(yīng)的最佳質(zhì)量比為m（瓜爾膠）∶m（氯乙酸）=1∶0.4。

圖3 NaOH用量對(duì)產(chǎn)品取代度的影響

2.1.3 氫氧化鈉用量對(duì)羧甲基化反應(yīng)的影響 氫氧化鈉用量對(duì)產(chǎn)品取代度的影響如圖3所示。氫氧化鈉用量改變時(shí)，產(chǎn)品取代度的變化趨勢(shì)是先隨氫氧化鈉用量的增加而升高，在氫氧化鈉用量為4.5g時(shí)，達(dá)最高值；隨后氫氧化鈉用量繼續(xù)增加，其值反而降低。在反應(yīng)中氫氧化鈉與瓜爾膠分子中的羥基鍵合成活化中心，增強(qiáng)瓜爾膠羥基的親核能力。氫氧化鈉用量在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，生成的活化中心增多，參與反應(yīng)的氯乙酸量增加，產(chǎn)品的取代度升高；但是氫氧化鈉用量超過(guò)一定值之后，過(guò)量堿的存在會(huì)使羧甲基化試劑氯乙酸的水解加劇，同時(shí)瓜爾膠的糊化溫度降低，在其表面形成膠化層，阻止氯乙酸滲透到瓜爾膠分子鏈間，反而使產(chǎn)品取代度降低。由此可以得出，氫氧化鈉與瓜爾膠反應(yīng)的最佳質(zhì)量比為m（瓜爾膠）∶m（氫氧化鈉）=1∶0.45。

2.1.4 反應(yīng)溫度對(duì)羧甲基化反應(yīng)的影響 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品取代度的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知：反應(yīng)溫度在45～65℃范圍內(nèi)，50℃之前，產(chǎn)品的取代度隨溫度的升高快速上升；50℃時(shí)，產(chǎn)品取代度達(dá)到最高0.340，此后隨溫度的升高產(chǎn)品的取代度降低。反應(yīng)溫度升高，產(chǎn)品的取代度呈上升趨勢(shì)，其原因主要是反應(yīng)溫度的升高有利于瓜爾膠的膨脹，增大了反應(yīng)分子的活性，提高了分子的平均能量，使氯乙酸和氫氧化鈉能更容易地滲透到瓜爾膠分子鏈間，增加了反應(yīng)物分子間的碰撞機(jī)會(huì)，因而產(chǎn)品的取代度呈上升趨勢(shì)；但溫度過(guò)高會(huì)引起氯乙酸和瓜爾膠的分解，同時(shí)也會(huì)使瓜爾膠的自身糊化現(xiàn)象嚴(yán)重，反應(yīng)體系中出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象，阻礙羧甲基化反應(yīng)的進(jìn)程，使得產(chǎn)品取代度降低。根據(jù)以上分析可以確定，羧甲基化反應(yīng)的最佳溫度為50℃。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品取代度的影響

2.2 交聯(lián)、羧甲基化雙重改性對(duì)瓜爾膠糊表觀粘度的耐溫性能的影響

在25～75℃范圍內(nèi)，采用NDJ-7型旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測(cè)定原瓜爾膠糊及交聯(lián)羧甲基瓜爾膠糊（取代度=0.340，沉降積=1.5mL）的表觀粘度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在所研究的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，原瓜爾膠糊、交聯(lián)羧甲基瓜爾膠糊表觀粘度的變化率依次為63.0%、43.3%。表明經(jīng)交聯(lián)、羧甲基化雙重改性處理后，瓜爾膠糊表觀粘度的耐溫性能明顯得到改善。這是由于在交聯(lián)改性后瓜爾膠的分子間氫鍵部分被化學(xué)鍵所取代，化學(xué)鍵的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于氫鍵，在同樣受熱情況下不易被破壞，因此，交聯(lián)羧甲基瓜爾膠糊的表觀粘度具有較好的耐溫性能。

2.3 FT-IR分析

圖5為原瓜爾膠粉（a）和交聯(lián)羧甲基瓜爾膠粉（b）的FT-IR譜圖。比較圖5中（a）和（b）可以發(fā)現(xiàn)：（a）在3400cm-1附近-OH的吸收峰比（b）中的寬，說(shuō)明交聯(lián)羧甲基化后，瓜爾膠分子中部分-OH發(fā)生了反應(yīng)；（b）在1635.16、1420.30cm-1處出現(xiàn)的-COO-的特征吸收峰，證明交聯(lián)羧甲基瓜爾膠分子中存在-COO-基團(tuán)；1000～1350cm-1間出現(xiàn)的C-O、C-O-C的伸縮振動(dòng)峰及-CH2-的彎曲振動(dòng)吸收峰在交聯(lián)羧甲基化改性后有一定程度的增強(qiáng)。由以上分析可知，瓜爾膠分子中引入了羧甲基基團(tuán)，交聯(lián)羧甲基瓜爾膠成功制備。

圖5 原瓜爾膠粉（a）和交聯(lián)羧甲基瓜爾膠粉（b）的FT-IR光譜

3 結(jié)論

3.1 交聯(lián)羧甲基瓜爾膠制備的最佳工藝條件為：配料比m（瓜爾膠）∶m（環(huán)氧氯丙烷）∶m（氫氧化鈉）∶m（氯乙酸）為1.00∶0.015∶0.45∶0.40，反應(yīng)溫度50℃。在此條件下，產(chǎn)品的取代度為0.340。

3.2 經(jīng)交聯(lián)、羧甲基化雙重改性后，瓜爾膠糊的耐溫性能得到改善。

3.3 FT-IR分析結(jié)果表明，瓜爾膠分子中引入了羧甲基基團(tuán)，交聯(lián)羧甲基瓜爾膠成功制備。

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Study on preparation of cross-linked carboxymethyl guar gum

CHEN Na-li，F(xiàn)ENG Hui-xia*，ZHAO Xia，ZHANG Juan
（College of Petrochemical Technology,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China）

With natural guar gum as material，epichlorohydrin as cross-linking agent，chloroacetic acid as carboxymethylating agent，cross-linked carboxymethyl guar gum was prepared.The effects of epichlorohydrin dosage，chloroacetic acid dosage，sodium hydroxide dosage，and reaction temperature on the degree of substitution of product were studied.The temperature resistance of product paste was also investigated.The maximum degree of substitution of product of 0.340 was obtained under the following conditions:the mass ratio of guar gum∶epichlorohydrin∶sodium hydroxide∶chloroacetic acid 1.00∶0.015∶0.45∶0.40，reaction temperature 50℃.The FT-IR results showed that the group of carboxymethyl had introduced to the product，and crosslinked carboxymethyl guar gum was successfully prepared.Product paste had improved temperature resistance in contrast to native guar gum paste.

guar gum；cross-linked carboxymethyl；preparation；degree of substitution；temperature resistance

TS201.7

B

1002-0306（2011）10-0292-03

瓜爾膠是從瓜爾豆的胚乳中分離、提取、純化得到的一種非離子型半乳甘露聚糖膠，其結(jié)構(gòu)是以β-1,4苷鍵相互連接的D-甘露糖單元為主鏈，再在部分D-甘露糖單元的C6位上連接單個(gè)D-半乳糖（β-1,6苷鍵）為支鏈的天然高分子[1]。天然瓜爾膠分子在自然狀態(tài)下呈纏繞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而可作為增稠劑、穩(wěn)定劑、乳化劑、粘結(jié)劑和調(diào)理劑等應(yīng)用于食品加工、石油開(kāi)采、精細(xì)化工、造紙以及紡織領(lǐng)域[2]。然而天然瓜爾膠不能快速溶脹和水化、溶解速度慢、水不溶物含量高、粘度不易控制等缺點(diǎn)使其應(yīng)用受到了限制。通過(guò)改性尤其是化學(xué)改性，能解決天然瓜爾膠理化性能方面的缺點(diǎn)。交聯(lián)可以改善瓜爾膠的耐鹽性以及高溫下的穩(wěn)定性[1,3]；羧甲基化可以增加瓜爾膠的水溶性[4]。然而，目前關(guān)于瓜爾膠交聯(lián)、羧甲基化雙重改性的研究文獻(xiàn)報(bào)道甚少。本文通過(guò)對(duì)瓜爾膠進(jìn)行交聯(lián)、羧甲基化雙重改性，制備了交聯(lián)羧甲基瓜爾膠。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，研究了交聯(lián)劑環(huán)氧氯丙烷的用量、羧甲基化試劑氯乙酸的用量、氫氧化鈉的用量及反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品取代度的影響；考查了產(chǎn)品糊的耐溫性能，旨在改善瓜爾膠的性能，拓寬它的應(yīng)用范圍，為其開(kāi)發(fā)利用提供一定的理論依據(jù)。

2010-11-03 *通訊聯(lián)系人

陳娜麗（1976-），女，碩士，講師，主要從事精細(xì)化學(xué)品方面的研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51063003）；甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZS021-A25-028-C，3ZS062-B25-027，3ZS-042-B25-008，0809DJZA011，0916RJZA011）；甘肅省教育廳基金項(xiàng)目（0803-04）。