羧甲基纖維素鈉合成工藝條件優(yōu)化研究

韓 彪，袁軍陽，王世飛，王瑩瑩，張杰柯，陳 恒，陳改榮，寧守堂

(1 新鄉(xiāng)學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000；2 新鄉(xiāng)工程學(xué)院生物工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000；3 湖北恒合科技有限公司，湖北 咸寧 437000)

羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)具有增稠、保水、乳化、黏接、膠體保護等作用，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、建筑、日化、石油鉆井等領(lǐng)域[1-5]。我國目前在低粘CMC-Na生產(chǎn)方面基本已經(jīng)成熟，但是高粘CMC-Na還是有很多工藝技術(shù)方面的問題[6-10]，所以國內(nèi)的CMC-Na行業(yè)發(fā)展空間很大。本文通過粘度計的測定，探究堿化時間、醚化時間、醚化溫度等反應(yīng)因素對產(chǎn)品粘度的影響，這對CMC-Na的應(yīng)用性能及技術(shù)的提高無疑有著重大的理論意義和實際應(yīng)用價值。

1 實 驗

1.1 材料與主要試劑

氯乙酸(分析純)，湖北恒合科技有限公司；氫氧化鈉、乙醇、增粘劑、連二亞硫酸鈉、降粘劑、精制棉，湖北恒合科技有限公司；去離子水為新鄉(xiāng)學(xué)院實驗室自制。

1.2 CMC-Na的制備

配制25%NaOH溶液；將堿液與5 g纖維素在塑料燒杯中混合均勻，放在冰箱中進行堿化反應(yīng)；7.5 g氯乙酸溶解于90 mL無水乙醇后加入堿化后的纖維素，于電熱套中進行醚化反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度和醚化時間；待醚化反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，將產(chǎn)物取出，用稀鹽酸將pH調(diào)至中性后干燥。

1.3 測試與表征

本實驗采用X射線衍射(XRD)，掃描電子顯微鏡(SEM)，紅外光譜(FT-IR)等表征儀器對所得樣品進行分析了解。

2 結(jié)果與討論

2.1 以精制棉為原料制備CMC-Na

2.1.1 醚化溫度對CMC-Na粘度的影響

由表1可知，醚化溫度在75～85 ℃粘度最好，醚化反應(yīng)是吸熱取代反應(yīng)，醚化溫度升高有利于反應(yīng)進行[11-13]。溫度太高會抑制產(chǎn)物生成，所以醚化溫度控制在75～80 ℃最適宜。

表1 不同醚化溫度下樣品粘度表

2.1.2 醚化劑用量對CMC-Na粘度的影響

根據(jù)表2可知，氯乙酸為7.5 g時，產(chǎn)品粘度最大。根據(jù)反應(yīng)可知，醚化劑用量過少，會導(dǎo)致醚化不充分，反應(yīng)物不能完全轉(zhuǎn)化為CMC-Na。當(dāng)醚化劑用量過多時，副反應(yīng)產(chǎn)物會增加，產(chǎn)品粘度降低。

表2 不同氯乙酸用量下樣品粘度表

2.1.3 探究堿化時間對CMC-Na的粘度的影響

由表3數(shù)據(jù)可知，堿化時間為24 h，樣品粘度最高。堿化時間過短會導(dǎo)致堿液無法與纖維素充分反應(yīng)，導(dǎo)致醚化劑減少，進而粘度測試中樣品粘度會低。堿化時間過長，會導(dǎo)致纖維素降解。

表3 不同堿化時間下樣品粘度表

2.2 以纖維素粉為原料制備CMC-Na

2.2.1 不同醚化劑用量對CMC-Na粘度的影響

通過表4數(shù)據(jù)對比，可以看出醚化劑用量為7.5 g時粘度偏高，但是各個樣品之間粘度相差較小，對比不是很明顯。

表4 不同氯乙酸用量下樣品粘度表

2.2.2 不同堿化時間對CMC-Na粘度的影響

由表5對比可以得出堿化時間為1 h時，得到的CMC-Na粘度最高。將表2、表3與表4、表5數(shù)據(jù)進行對比，也可以明顯的觀察出以纖維素粉為原料得到的產(chǎn)物，整體粘度降低，說明纖維素粉有某些性質(zhì)影響了CMC-Na的粘度。通過實驗數(shù)據(jù)看出堿化時間為1 h時反應(yīng)條件較為適宜。

表5 不同堿化時間下樣品粘度表

2.2.3 不同醚化時間對CMC-Na粘度的影響

分析表6數(shù)據(jù)可知，醚化時間過長也會影響產(chǎn)品質(zhì)量，因為反應(yīng)時間增加對主反應(yīng)影響很小，但是副反應(yīng)會增加，同樣會降低產(chǎn)品質(zhì)量，醚化時間為1.5 h時較為適宜。

表6 不同醚化時間下的樣品粘度表

2.2.4 不同堿液配比對CMC-Na粘度的影響

由表7可知，當(dāng)堿液配比為6 g∶15 mL時，樣品粘度最好。當(dāng)堿用量過高時，會導(dǎo)致大量剩余，影響醚化程度。當(dāng)堿用量過少時，堿化不充分，一樣會導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量降低。堿液配比為6 g∶15 mL時最合適。

表7 不同堿液配比下的樣品粘度表

2.3 結(jié)構(gòu)形貌表征

圖1表示以精制棉為原料下不同粘度的兩個樣品的掃描電鏡照片，圖1(b)加入醚化劑的量要少于圖1(a)。從圖2中CMC-Na的微觀外形可以看出，圖2(b)的表面比于圖2(a)光滑，圖2(a)表面的凹槽使CMC變得松散，更容易與水結(jié)合，進而膨脹形成高粘度膠體。對比圖2(b)和圖2(c)電鏡圖可以看出商品級CMC-Na纖維整體形狀為圓柱狀，纖維表面粗糙不規(guī)則，而圖2(b)中CMC-Na呈現(xiàn)扁平狀，而且有一些塊狀，有可能是反應(yīng)不充分造成的。四組圖片進行對比可以看出用精制棉為原料得到的CMC-Na的形貌與市場上商品CMC-Na的形貌具有極大相似度，說明合成思路和方法是正確的。

圖1 以精制棉為原料合成CMC-Na掃描電鏡照片

圖2 CMC-Na的SEM照片：以纖維素粉為原料合成的CMC-

2.4 FT-IR表征

通過圖3和圖4的對比可以看出，商品高粘CMC-Na在1620 cm-1處吸收峰越大，羧甲基官能團越多，CMC-Na粘度越大。進一步證明了商品高粘度CMC-Na粘度最大。并且以精制棉為原料合成的CMC-Na粘度大于以纖維素粉為原料合成的CMC- Na。

圖3 樣品與商品高粘CMC-Na的紅外譜圖

圖4 樣品與商品低粘CMC-Na紅外對比圖

2.5 XRD表征

由圖5可知，在2θ=23°和2θ=32°處均出現(xiàn)了一個有高度差別的強衍射峰，是典型的纖維素晶型。三條曲線均出現(xiàn)此強衍射，峰表明羧甲基取代了纖維素分子上的羥基氫。

圖5 樣品與商品CMC-Na的XRD譜圖

3 結(jié) 論

本論文以優(yōu)化羧甲基纖維素鈉工藝條件為目的，探討不同因素對CMC-Na粘度的影響。得出以下結(jié)論：堿液配比為6 g∶15 mL、堿化時間為1 h、醚化劑用量為7.5 g、醚化溫度控制在75～80 ℃、醚化時間為1.5 h時合成的CMC-Na性能最好；需要讓精制棉反應(yīng)能夠充分，才能得到更優(yōu)工藝條件。