Получение нанокарбоксиметилцеллюлозы из нанофибриллярной целлюлозы



Введение

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) — органический полимер, простой эфир, состоящий из молекулы целлюлозы и уксусной кислоты. Его структурное звено представлено на рисунке 1.

Рис. 1. Звено карбоксиметилцеллюлозы

Основной способ его получение это использование щелочной целлюлозы и МХУК (монохлоруксусной кислоты). Используя эту методику можно так же получить наноэфир целлюлозы.

1. Применение

В химической, пищевой и медицинской промышленности используется натриевая соль ([С₆Н₇О₂(ОН)_3-x(OCH₂COONa)_x]_n, где x = 0,02–1,50) — натрий карбоксиметилцеллюлоза, водные растворы которой вязки, обладают псевдопластичностью, а у некоторых сортов — тиксотропией. Натриевая соль целлюлозогликолевой кислоты применяется в качестве пластификатора, загустителя, резорбента. Благодаря свойству формировать вязкие растворы, которые долго сохраняют пластичность, натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы получила большое распространение в строительной сфере.

В пищевой и фармацевтической промышленности часто находит применение карбоксиметилцеллюлозы натриевая соль трехмерная (сшитая) (кроскармеллоза — E468). В отличие от натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, кроскармеллоза — практически не растворима в воде. Однако, она имеет способность поглощать воду. 1 г кроскармеллозы поглощает до 20 мл воды.

Добавление органических добавок в глинистые суспензии представляет большой промышленный интерес из-за их способности изменять свои коллоидные и реологические свойства. Например, буровые растворы на водной основе выполняют многочисленные функции, такие как стабилизация буровой скважины путем образования кека, очистка скважины путем вакуумирования шлама и охлаждение и смазка колонны и долота, а также поиск добавок, обычно полимеров, для включения глины подвеска для выполнения этих функций

2. Методика получения КМЦ

В данной работе пойдет речь о методике для получения КМЦ из нанофибриллярной целлюлозы (НФЦ).

Сама НФЦ была получена из целлюлозы при действии на нее соляной кислоты концентрацией 55 %масс. Гидролиз происходил в аппарате Environmental Shaker — Incubator ES — 20/60, при температуре 55⁰С и частоте оборотов равной 170 об/мин. Гидролиз длился 4 часа. После этого нанофибриллярную целлюлозы высушивали и превращали в пыль.

После этого приступали к приготовлению эфира. Для приготовления эфира было взято 2 грамма сухой НФЦ. В колбе на 250 миллилитров с НФЦ смешали изопропиловый спирт 24,7 мл и 16 мл 40 % масс. NaOH.

Следующим шагом поместили на магнитную мешалку и перемешивали в районе 90 минут. Периодически колбу снимали с мешалки и перемешивали в руках под углом, это нужно было для того, чтобы убрать налет со стенок.

Спустя 90 минут после начала эксперимента колбу снимали и добавляли в нее МХУК сухой 16 грамм. Затем колбу опять ставили на магнитную мешалку, только теперь включили подогрев до 55⁰С. Реакцию проводили в течении трех с половиной часов. При этом все время эксперимента контролировали температуру.

По истечении 3,5 часов колбу снимали с мешалки и ее содержимое выливали на воронку Шотта. Получившуюся фракцию промывали уксусной кислотой 31,4 мл и этиловым спиртом 82,4 мл. Далее промывали чистым спиртом для получения нейтральной среды.

Получив нейтральную среду, фракцию снимали с воронки и помещали в сушильный шкаф сначала на 4 часа при 75⁰С, потом на 5 часов при 105⁰С. После сушки фракцию взвешивали и затем определяли выход. Все данные по методике эксперимента представлены в таблице 1.

Таблица 1

Данные эксперимента

Первый этап			Второй этап			Итог
Реагенты в граммах			Реагенты в граммах			Масса гр	Выход %
НФЦ	Спирт	Щелочь	МХУК	Спирт	Кислота	НаноКМЦ
2,066	24,792	16,528	16,528	82,64	31,4032	1,61	77,92836399

3. Анализ результатов

На рисунке 2, представлен ИК-спектр образцов, образец приведенный в методике обозначен звездочкой. А в таблице 2 представленные числа, которые требуются нам по спектру.

Таблица 2

Значения спектров

Связь	Колебание, 1/см
-О-Н	3650–3580
-С-О-С-	1260–1000
-С=О	1740–1650

Рис. 2. ИК-спектр

Таким образом можно подтвердить то, что методика является рабочей.

4. Свойства КМЦ

Реологические свойства растворов КМЦ гораздо более документированы, хотя многие аспекты этих растворов все еще находятся в центре внимания исследований полимеров и являются предметом большой экспериментальной и теоретической работы.

Проводились реологические исследования свойства растворов КМЦ в диапазоне концентраций 1–5 % и сообщили о почти ньютоновском поведении при самой низкой концентрации и псевдопластических, тиксотропных и вязкоупругих реакциях при более высоких концентрациях. Тем не менее, сообщалось о молекулярной массе используемого полимера, что, конечно, неудобно, когда необходимо сравнение различных экспериментальных результатов.

Также исследовали реологическое поведение растворов КМЦ при более высоких концентрациях и подтвердили, как неньютоновские, так и вязкоупругие свойства, которые оказались намного более выраженными.

Была установлена связь между молекулярной структурой КМЦ и реологическими свойствами водных растворов в диапазоне концентраций КМЦ 0,5–3 %. Сообщалось, что молярная масса и концентрация полимера являются определяющими параметрами, тогда как степень замещения (DS) оказывает лишь незначительное влияние, влияя, прежде всего, на растворимость.

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что методика получения эфира целлюлозы, а именно КМЦ, экономически весьма затратная, так как требуется относительно большое количество реагентов. Однако, КМЦ имеет большие перспективы и несет в себе большой исследовательский потенциал.

Проверенная и разработанная в статье методика является одной из простых и наименее затратной. В результате из обычной НФЦ мы получили ее эфир. Следует учесть также, что данная методика может дать другой результат (меньший выход, другое вещество), так как характерна для наноцеллюлозы, полученной при помощи серной кислоты, перекиси водорода, персульфата аммония.

Литература:

1. Macroporous Chitosan/Carboxymethylcellulose Blend Membranes and Their Application for Lysozyme Adsorption Xin Chen, Jiahao Liu, Zhicheng Feng, Zhengzhong Shao Department of Macromolecular Science, Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers, Fudan University, Shanghai, 200433, People’s Republic of China
2. Physical properties of edible modified starch/carboxymethyl cellulose films Babak Ghanbarzadeh a,⁎, Hadi Almasi a, Ali A. Entezami ba Department of Food Science and Technology, Faculty of Agriculture, University of Tabriz, P. O. Box 51666–16471, Tabriz, Iran b Department of Polymer Chemistry, Faculty of Chemistry, University of Tabriz, Tabriz, Iran
3. Cellulase Activity Screening Using Pure Carboxymethylcellulose: Application to Soluble Cellulolytic Samples and to Plant Tissue Prints Hanne R. Johnsen and Kirsten Krause *
4. Rheological properties of carboxymethyl cellulose (CMC) solutions Adel Benchabane & Karim Bekkour