反应介质对聚阴离子纤维素结构与性能的影响.pdf

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反应介质对聚阴离子纤维素结构与性能的影响77反应介质对聚阴离子纤维素结构与性能的影响EffectofOrganicSolventonStructureandPropertyofPolyanionicCellulose王飞俊,邵自强,王文俊,吕少一,李永红,冯增国(北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081)——WANGFei-jun,SHAOZiqiang,WANGWewjun,LUShaoyi,——LIYonghong,FENGZengguo(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)摘要:采用x射线衍射与显微镜分析技术研究了天然棉纤维素在乙醇、异丙醇、乙醇一异丙醇等不同有机介质中碱化时,—纤维素的润胀程度、吸附碱量及结构参数的变化。同时借助HNMR、化学滴定法表征了不同介质中纤维素羧甲基化产物大分子的一级结构。结果表明:介质对聚阴离子纤维素合成过程中碱纤维素及其醚化物的结构与性能具有很大影响。随着溶剂体系中异丙醇含量的增加,纤维素碱吸附量提高,润胀率增大,醇解程度降低,产品取代度增加,水溶性变好,取代基团一CHCOONa在葡萄糖单元环内C。,C。及c位的分布也更均匀。关键词:聚阴离子纤维素;有机溶剂;碱纤维素;羧甲基化;水合离子中图分类号:O636文献标识码:A——文章编号:10014381(2010)01007705—Abstract:Theinfluenceofethanol,isopropanolandmixturethereofusedduringthepolyanioniccellu—lose(PAC)manufacturingonthestructureofalkalicelluloseandPACwasstudiedbymeansofXray——diffraction,microscope,HNMRandchemicaltitrimetrymethod.Theresultshowsthatthestruc—tureandpropertyofalkalicelluloseandPACishardlydependentontheorganicsolventinthemanufacturingprocess.Withincreasingofisopropanol,swellingratioandadsorptionquantityofcellulose—baseincreaseandcrystallinegradeofcellulosedecrease,degreeofsubsti-tutionofthePACanditssolubilityimprove,andthedistributionofthesubstituentinC2,C3,C6oftheanhydroglucoseunit(AGU)becomesmoreeven.Keywords:polyanioniccellulose;organicsolvent;alkalicellulose;carboxymethylation;hydratedion聚阴离子纤维素(PolyanionicCellulose,PAC)实质上就是羧甲基纤维素(CarboxymethylCellulose,CMC),属于一种高分子聚电解质口],是经过溶剂、配方与工艺调节和改进而得到性能更优越的离子型纤维素醚。同其他纤维素醚一样,PAC的制备一般也经历两个过程:纤维素的碱化和醚化。碱化过程中,工业上常采用碱金属氢氧化物与纤维素作用,以破坏纤维素内的氢键,降低纤维素的结晶度l_2],打开通道,促进碱金属氢氧化物与纤维素上的羟基反应,形成高反应活性的碱纤维素,而利于后续的醚化反应。碱纤维素的结构和组成决定醚化反应的程度和效果,对PAC在石油、建材、食品、涂料、陶瓷等领域的应用性能如抗滤失、抗盐、抗温、抗酸性等具有重要的影响口]。PAC的应用性能主要取决于其分子量大小、取代度高低以及取代基团分布均匀性等一级结构,而反应体系所用溶剂、工艺及配方等又是决定羧甲基化物大分子结构的主要因素。聚阴离子纤维素的制备多采用有机溶剂作为反应介质以提高传质、传热的速度和反应的均匀性,有机介质并不参与反应,但其极性对纤维素的碱化、醚化有着重要影响_4]。近年来,国内外关于这方面的研究并不多见,StigssonV等在碱化和醚化过程中改变溶剂,通过CMC的取代度和取代基沿分子链的分布分析了溶剂对纤维素羧甲基化的影响,并间接分析了溶剂对纤维素碱化的影响。OlaruN等_6在乙醇和(或)丙酮溶剂中合成了CMC。程发—等以苯一乙醇一水为介质合成CMC,应用HNMR谱—图分析了CMC中羧甲基在葡萄糖单元(AnhydroglucoseUnit,AGU)的C,C。及C位上的取代分布。乙醇(EtOH)和异丙醇(Isopropanol,IPA)是纤维素羧甲基化中常用的有机溶剂,但是关于EtOH和IPA在整78材料工程/2010年1期个羧甲基化过程中对纤维素形态结构及其产物结构的影响鲜有报道。本工作研究了淤浆法中,有机溶剂EtOH,IPA和—EtOHIPA混合物等对纤维素的碱化与羧甲基化的影响,分析不同介质对碱纤维素的润胀形态、碱吸附量、结晶结构和纤维素羧甲基化后大分子上取代基分布均匀性的影响。1实验1.1试剂及仪器棉纤维素粉末:聚合度2300,a一纤维素质量分数为99.5,西安惠安北方化学工业有限公司提供;EtOH,IPA,异丁醇,氢氧化钠,氯乙酸均为分析醇;重水;d一HSO;硫酸;硫酸标准滴定溶液;c(1/2H。SO)一o.1mol/L;氢氧化钠标准滴定溶液:c(NaOH)一0.1mol/L;甲基红指示液:lg/L。体积为15L,压力、温度与搅拌速度可控的自制不锈钢反应釜;玻璃砂坩埚:滤板孔径15~40t ̄m;BRUKERAR×400核磁仪器;D/max2500型x射线衍射仪(采用CuK。线,Ni滤波,一1.54056X—10。m,扫描范围20=6.0~40.O。);XSZHS7型显微镜。1.2纤维素的碱化与羧甲基化碱化过程是在不同有机介质中加入45(质量分数,下同)的NaOH水溶液,搅拌均匀后,加入规定量℃的纤维素粉,2O下反应1h,在显微镜下观察纤维形态,测量纤维素的直径。然后用异丁醇洗涤至中性,低温烘至恒重,计算吸附碱量,并进行x射线衍射分析。实验采用高浴比淤浆方法制备PAC,分别在不同有机介质中加人NaOH水溶液,搅拌均匀后加入粉状℃——纤维素,20下反应1h。然后缓慢加入醚化剂氯℃℃乙酸,60反应1h,升温至75反应30min后,经中和,洗涤及烘干而得到。1.3结晶度的计算将所得的x射线衍射图进行校正,然后用计算积分峰处理。结晶度按式(1)计算:x一{×1。。(1)式中:x为结晶度;J为非结晶峰的面积;I为结晶峰的面积。1.4聚阴离子纤维素取代度测试取代度的测试采用灰碱法,样品经乙醇洗涤去除可溶性盐,干燥并经高温灼烧,残渣为氧化钠,加水溶解生成NaOH,加过量硫酸标准滴定溶液,用NaOH标准滴定溶液滴定过量硫酸,通过计算得到每一个AGU中羧甲基基团平均数值,即为取代度。取代度的计算式:DS_0.162×F(2)式中:b是硫酸标准滴定溶液的消耗量,mL;G为试样的质量,g;0.162为纤维素对应AGU单元的毫摩尔质量,mmol;0.08则是羧甲基基团的毫摩尔质量,mmol。1.5聚阴离子纤维素的水解与H-NMR测定—为了得到准确可靠的HNMR结果,样品要用℃7OoA~75乙醇溶液洗涤纯化3次,80、负压干燥至恒重。纯化后的产品用常规NMR溶剂水解后测试。称取150ragPAC,加入约1mLD。O使PAC溶胀,然后缓慢加入约1mLDO/D。SO(so/5o:v/Y),尽可℃能使PAC样品分散,在90加热2h,偶尔摇晃,以防形成凝胶L8],得到浅黄色的低黏均相溶液。取该溶液约0.4mL直接加入到NMR管中作测定。2结果与讨论2.1不同溶剂体系中碱纤维素的形态与结构纤维素与碱金属氢氧化物溶液作用时,发生物理变化和化学变化。物理变化主要表现为纤维素的溶胀,化学变化是纤维素吸附碱形成碱纤维素。在氢氧化钠溶液中,棉纤维直径迅速变大,晶片中的链片距离增加,从而更易于反应试剂进入。前期研究表明,有机介质与纤维素质量之比为23.7,NaOH水溶液浓度45%,NaOH与纤维素质量之比为0.85时,纤维素的℃反应活性最高。上述条件下,2O时不同介质中处理纤维素1h,纤维的形态和结构参数见图1,2和表1。结果表明,纤维素在碱液中的溶胀程度受反应介质的影响很大:当氢氧化钠用量、浓度及有机介质的用量一定时,随着介质的不同,纤维直径增大程度不同,顺序如下:IPA>IPA/EtOH(70/3o)>IPA/EtOH(5o/5o)>IPA/EtOH(3o/7o)>EtOH。在实验条件下,采用EtOH作反应介质,纤维素纤维的结构参数几乎没有变化,仍然保持纤维素I结构;而在IPA和—IPAEtOH混合物中,纤维素结构发生了变化,且当IPA的含量超过50,可形成碱纤维素,结晶晶型属Ⅱ于纤维素。通过计算得到,纯IPA中纤维素结晶度—最小,EtOH中最大,IPAEtOH混合物中介于二者之问。纤维素吸附碱量也是随着IPA浓度的增加而增加。在EtOH介质中,由于EtOH极性大,NaOH在80材料工程/2010年1期系(EtOH/IPA>50/50),得到的羧甲基化产物溶解性变差,而当EtOH/IPA(w/w)<50/5o,能够有效羧甲基化,尤其富IPA溶剂体系,产物水溶性好。其原因是EtOH的极性(3.9)大于IPA的极性(3.O),会使HO已形成的碱纤维素发生严重醇解,导致碱化效果差。在混合溶剂体系中,随着EtOH的减少,纤维润胀更好,碱纤维素醇解程度降低,纤维素碱化效果好。碱纤维素形成过程可描述为・R一00表2不同溶剂中制得的PAC的取代度和溶解性Table2DegreeofsubstitutionandsolubilityofPACmanufacturingwithvarioussolvent纤维素的碱化效果对进一步的羧甲基化有直接影响,在单一或富EtOH溶剂体系中,由于纤维素的润胀程度和生成的碱纤维素量都最小,羧甲基化效率低;而单一或富IPA体系中,碱纤维素醇解程度低,水化离子尺寸适中,纤维润胀充分,碱纤维素形成容易且稳定,利于醚化试剂氯乙酸的进入与反应,使PAC取代度提高,溶解性变好。2.3羧甲基基团在纤维素单元环上的分布因高浴比条件下,纯EtOH体系不能得到高取代度PAC,为了进一步研究有机介质对纤维素羧甲基化的影响,以EtOH为介质时,降低有机介质与纤维素质量比至2.55,EtOH/IPA(30/70)和IPA为介质时有机溶剂与纤维素质量比仍为23.7,制得取代度相近—的聚阴离子纤维素。通过HNMR分析其微观结构(见图3)。图3中的特征峰分为三部分,即葡萄糖环上还原性末端C的质子共振峰、CHCO()特征峰和葡萄糖环上未被取代的2,3,6位的质子共振峰。其中cNaOH/H2O/Organicsolvent—fR=一OHorONa5O4540356图3PAC的H-NMR图Fig.3HNMRspectrumofpolyanioniccellulose的质子共振峰位于4.7~5.5,5.3~5.5是a异构体上的C,4.7~4.9是口异构体上的C。由于C。上质子的偶极化,C上的氢质子分裂为两组峰:位于低场的是C位一OH被羧甲基取代所致,高场是C位OH未被羧甲基取代。化学位移4.3~4.6是cHCOO上氢质子的特征峰,3.5~4.0是葡萄糖环上其他质子(氢核)共振峰。葡萄糖环上C质子积分值与其他质子积分值之比为1:6,说明样品全部水解为单环。羧甲基上的一CH。基团在4.3~4.6产生四个尖峰,从低场到高场依次为C。,Ca,C。口和c上引入的羧甲基。各信号峰积分面积的1/2与葡萄糖单元上还原末端c区域的积分的比值即为各位置的取代度,各位置取代度的加和是样品总取代度。计算结果列于表3。由表3可见,作为目前最普遍采用的测定PAC取—代均匀性的方法_1,HNMR与化学滴定法测得的PAC取代度值并不一致。C位一OH取代程度最高,C位次之,C。位最差。随着有机介质中IPA比例的提高,取代基在c。上的取代度增大,在C上的取代度反应介质对聚阴离子纤维素结构与性能的影响81—HNMR:Titrimetrymethod降低,取代基分布均匀性依次提高。其结果与纤维素纤维润胀效果变化趋势一致,即碱有效吸附与良好润胀是有效、均匀醚化的基础。L6J3结论(1)在纤维素的淤浆法羧甲基化过程中,有机介质对碱化和醚化产物的结构有很大影响。(2)IPA为介质,纤维的润胀程度最大,碱纤维素的醇解程度最低;随着IPA含量的减少,EtOH含量的增加,纤维素纤维润胀程度降低,碱纤维素的醇解程度增加。(3)受碱化效果的影响,产物的取代度和取代基分布均匀性也随着EtOH含量的增加而降低。参考文献[1]邵自强.纤维素醚I-M].北京:化工出版社,2007.—r2]KLEMMD,PHILIPPB,HEINZET,eta1.ComprehesiveCellu—loseChemistryl-M].Weinheim:WILEYVCH,1998.23]HEUSERE.TheChemistryofCellulose[M].NewYork:JohnWiley&SonsInc,1994.[4]邵自强,杨晓娜,王霞,等.聚阴离子纤维素AGU上c2,cs和c6羧甲基分布与性能研究[J].北京理工大学学报,2006,26(10):—929932.r5]STIGSSONV,KLOOWG,GERMGARDU.Theinfluenceofthe[7][8][9][10][¨]solventsystemusedduringmanufacturingofCMC[J].Cellulose,—2006,13:705712.0LARUN,0LARUO,STOLERIUA,eta1.Carboxymethyl—cellulosesynthesisinorganicmediacontainingethanoland/orace—tone[J].JournalofAppliedPolymerScience,1998,67:481486.程发,赵华,冯建新,等.在苯一乙醇介质中生成的羧甲基纤维素取—代基分布的研究[J].高分子学报,1997,5:524529.FL0YDFLH,DANIELWK.Protonnuclearmagneticresonance—spectrometryfordeterminationofsubstituentsandtheirdistributionincarboxymethylcellulose[J].AnalChem,1980,52:913916.—Y0KOTAH.Themechanismofcellulosealkalizationintheiso—propylalcoholwater-sodiumhydroxidecellulosesystemEJ].—JournalofAppliedPolymerScience,1985,30(1):236277.罗果文,肖雷金娜.纤维素及其伴生物化学[M].北京:科学出—版社,1958.120126.HEINZET,ERLERU,NEHLSI,eta1.Determinationofthe—substituentpatternofheterogene0uslyandhomogeneouslysynthesizedcarboxymethylcellulosebyusinghigh-performanceliquidchromatography[J].DieAngewandteMakromolekulare—Chemic,1994,215:93106.———收稿日期:20080528;修订日期:20090625作者简介:王飞俊(1972一),女,博士,从事天然高分子功能化研究,联系地址:北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学材料学院(100081),Email:cellulosetech@sina.corn米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米(上接第76页)eta1.ElectronparamagneticresonancespectrainasgrownCd一[4]FEIGELSONRS,FOUTERK.VerticalBridgmangrowthof—GeAsz[J].JournalofAppliedPhysics,1995,77(1):435437.CdGeAs2withcontrolofinterfaceshapeandorientation[J].[9]VAIPOLINA,OSNANOVA,TRETYAKOVDN.Chemical—Journal0fCrystalGrowth,1980,49:261273.——aspectsofdiamondlikeIIIVVzcompound[J].NegroMatter,r5]NAGASHIOT,wATcHARAPAS0RNA,ZAWILSKIKT,—1967,13:260265.etalCorrelationbetweendislocationetchpitsandopticalab———————————————————————————————sorptioninCdGeAs2[J].CrystalGrowth,2004,269(2--4):195基金项目:863计划课题项目(2007AA03Z443);国家自然科学基金项目一206.(50732005,50672061)[6]于丰亮,赵北君,朱世富,等.对红外非线性光学材料硫镓银(Ag一——收稿日期:200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