Исследование влияние параметров процесса карбоксиметилирования на получение модифицированной карбоксиметилцеллюлозы

Общепринятый технологический процесс получения карбоксиметилцеллюлозы состоит из следующих стадий: обработки целлюлозы щелочью; отжим от избытка щелочи; карбоксиметилирования; дозревание; сушки; измельчения и упаковки Na-КМЦ.

По классическому способу целлюлозу обрабатывают щелочью в ваннах-прессах, затем отжимают и далее измельчают в аппаратах периодического действия.

Нами предлагается проведение процесса щелочной обработки расчетным количеством раствора щелочи, исключая процесс отжима от избытка щелочи. Из технологической схемы исключены пресс-ванны и диализаторы вследствие совмещения стадий щелочной обработки целлюлозы и перемешивания щелочной целлюлозы с монохлорацетатом натрия в одном аппарате.

В связи с вышесказанными, в условиях лаборатории проведены исследования процесса карбоксиметилирования хлопковой целлюлозы с этерифицирующим агентом монохлорацетатом натрия. Изучено влияние условий щелочной обработки, мольных соотношений компонентов, температуры и времени реакции на процесс этерификации целлюлозы, при этом мольное соотношение для хлористого алюминия и ЭДТА оставался как указано в разделе 2.1.

Концентрация щелочи в основном определяет состав щелочной целлюлозы, оказывает весьма существенное влияние на эффективность использования монохлорацетата натрия и свойства получаемой КМЦ.

В связи с этим в первую очередь нами проведены исследования влияния концентрации щелочи, на качественные характеристики получаемой КМЦ.

Результаты приведены в таблице 4.

Таблица 4. Влияния концентрации щелочи, на качественные характеристики КМЦ (мольное соотношение целлюлоза: монохлорацетат натрия =1: 2).

Использование щелочной целлюлозы, содержащей недостаточное количество едкого натра, приводит к неполному карбоксиметилированию целлюлозы, а также образованию карбоксиметилцеллюлозы, содержащей наряду с группами — OCH₂COONa группы — OCH₂COOH. Такой продукт содержит нерастворимые части целлюлозы и расслаивается в водных растворах, если не проводить дополнительно его нейтрализацию. Однако использование щелочной целлюлозы, содержащей значительный избыток едкого натра по отношению к монохлорацетату натрия, приводит к более интенсивному гидролизу последнего и сопровождается уменьшением степени замещения и растворимости Na-КМЦ. Оптимальной концентрацией щелочи находится в пределах 19 — 21%.

Далее исследовано влияние соотношения целлюлозы и монохлорацетата натрия на степень замещения Na-КМЦ. Результаты приведены в таблице 5.

Таблица 5. (карбоксиметилирование целлюлозы проведено при различном молярном содержании ClCH₂COONa на 1 моль целлюлозы, концентрация щелочи 19%).

Степень замещения Na-КМЦ регулируется путем изменения количественного соотношения целлюлозы и монохлорацетата натрия. При получении Na-КМЦ с более низкой степенью замещения, т. е. при использовании соотношений монохлорацетат натрия — целлюлоза меньше 2:1, растворимость получаемой КМЦ в воде снижается, чем меньше монохлорацетата, тем больше нерастворимых фракций в воде. Оптимальным соотношением целлюлоза: монохлорацетат натрия является 1:2, соответственно.

Далее проведены исследование влияния температуры щелочной обработки, на качество получаемой КМЦ. Щелочная обработка при повышенной температуре сопровождается значительным уменьшением степени полимеризации Na-КМЦ. Чтобы получить Na-КМЦ с более высокими значениями степени полимеризации, процесс щелочной обработки целлюлозы необходимо проводить при интенсивном охлаждении.

Таблица 6. (продолжительность щелочной обработки — 1 час).

^*степень полимеризации исходной целлюлозы 800.

Исходя из данных приведенных в таблице 6, можно сказать, для получения КМЦ с высоким значением степени полимеризации процесс щелочной обработки нужно вести при температуре 15−20^оС. Далее исследовали влияния СП исходной целлюлозы на СП получаемой КМЦ.

Результаты представлены в таблице 7.

Таблица 7. Качественные показатели образцов КМЦ, полученных из ХЦ различной СП.

Из данных приведенных в таблице 7 видно, что СП КМЦ на прямую зависит от СП исходной целлюлозы.

На основании полученных результатов разработан оптимальный режим получения технической КМЦ на основе хлопковой целлюлозы.

Мерсеризации целлюлозы при температуре 15−18⁰С в течение 40- 60 минут, карбоксиметилирование при температуре 18- 25⁰С в течение 40−60 минут, дозревание 70−90⁰С в течение 90−120 минут и сушка при температуре 70−80⁰С до влажности 10 — 12%.

В условиях лаборатории процессы щелочной обработки и карбоксиметилирование целлюлозы, проводили в аппарате Вернера — Пфлейдерера.

Качественные показатели КМЦ, полученной по выше указанному режиму, представлены в таблице 8.

Таблица 8.

Как видно из результатов приведенных в таблице 8 полученные образцы КМЦ соответствуют требованиям TSh 88.2−12:2005 «КМЦ технического назначения».