Реферат: Метилцеллюлоза и карбоксиметилцеллюлоза: свойства растворов и пленок

Получение карбоксиметилцеллюлозы

Низкозамещенную Nа-карбоксиметилцеллюлозу получали при взаимодействии щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой в различных условиях. В связи с тем, что хлоруксусная кислота является твердым, кристаллическим веществом и для получения низкозамещенных продуктов она требуется в небольшом количестве по сравнению сцеллюлозой, особенное значение имеет равномерное распределение реагирующих компонентов смеси. В одном из способов [8,9] реакция была осуществлена путем обработки воздушно-сухой целлюлозы раствором натриевой соли монохлоруксусной кислоты в 17.5— 18%-ном растворе NaOН при жидкостном модуле, равном 5 (отношение количества жидкости в мл к массе целлюлозы в г). Раствор соли приготавливался перед реакцией путем растворения соответствующей навески монохлоруксусной кислоты в щелочи такой концентрации, чтобы после нейтрализации она оставалась в пределах указанной величины.

Степень замещения низкозамещенной Nа-соли карбоксиметилцеллюлозы определяют по содержанию в ней Na.Содержание натрия в карбоксиметилцеллюлозе можно определить весовым методом в виде сульфата, путем озоления навески в тигле, обработки золы серной кислотой и прокаливания при 973 К или объемным методом путем обратного титрования избытка серной кислоты щелочью в присутствии бромфенолсинего в качестве индикатора (область перехода должна быть в кислой среде, чтобы не происходило обратного связывания щелочи карбоксильными группами).

Растворимость, вязкость растворов и другие свойства карбок­симетил- целлюлозы в значительной степени зависят от способа ее получения.

Известно несколько способов получения Nа-КМЦ, основанных на одной и той же реакции:

Целл(ОН)_n + 2mNaОН + mСН₂ С1СООН →

Целл(ОН)_{n - m} (ОСН₂ СОONa)_m + mNаСl + 2mН20,

но выполненных в различных модификациях. Поэтому представляет интерес сравнительное сопоставление образцов Nа-КМЦ, полученных из одной и той же целлюлозы, но различными методами.

Применялись следующие методы получения КМЦ.

1.Мерсеризованная 17.5%-ным раствором NаОН целлюлоза отжималась до 3-кратной массы и обрабатывалась в измельчителе типа Вернера и Пфлейдерера сухой натриевой солью монохлоруксусной кислоты (СН₂ С1СООNа) при температуре 313 К в течение 30 мин. Затем реакционная смесь выдерживалась в стационарных условиях при 295 К и в течение 24 ч в закрытом сосуде. За это время происходит окислительно-щелочная деструкция целлюлозы: степень по­лимеризации снижается с 1200 до 300—400 и растворимость образцов КМЦ в воде улучшается. По этому способу алкилирование протекает при максимальных концентрациях действующих масс (целлюлозы и монохлоруксусной кислоты), в результате чего достигается высокая степень алкилирования. Однако условия смешения компонентов реакции не благоприятствуют получению равномерно алкилированных образцов Nа-КМЦ.

П. Воздушно-сухую целлюлозу обрабатывали раствором натриевой соли монохлоруксусной кислоты в 18%-ном растворе NаОН при жидкостном модуле 5 и температуре 313 К. Окислительно-щелочную деструкцию проводили вышеописанным способом 1 после отжима реакционной смеси до

3-кратной массы по от­ношению к целлюлозе. Этот метод характеризуется равномерным проникнове­нием алкилирующего реагента — монохлоруксусной кислоты — внутрь цел­люлозных волокон при набухании, что позволяет получать однородно замещенные продукты [10]. Однако, как было показано [9], большая часть взятого количества СH₂ СlСООН идет на побочную реакцию ее омыления.

III. Целлюлозу мерсеризовали 18%-ным раствором NаОН. Отжатую до 5-кратной массы алкалицеллюлозу промывали на воронке Бюхнера пропанолом (с настаиванием) от избытка NаОН и воды. Добавляли пропанол до желаемого модуля и помещали целлюлозную массу в измельчитель. После 10 мин измельчения добавляли сухую соль СH₂ ClCOONa. Реакцию вели при постоянной температуре. По этому способу размеры побочной реакции омыления СН₂ ClCOONa сведены до минимума, тем самым эффективность использования алкилирующего реагента повышается. Промывка образцов КМЦ во всех случаях проводилась горячим 70%-ным этанолом в аппарате Сокслетта до отрицательной реакции на NаОН по фенолфталеину и на Cl⁻ с раствором AgNO₃ .

Как видно наибольшая степень замещения при одинаковом количестве СН₂ С1СООН достигается по способу III - в среде пропанола. Это объясняется, очевидно, уменьшением расхода СH₂ ClСООН на побочную реакцию омыления.

Свойства растворов метилцеллюлозы

Растворимость низкозамещенной метилцеллюлозы в воде при комнатной температуре и ниже и состав фракций, переходящих в раствор, зависят от ее степени замещения, однородности и степени полимеризации.

В табл. 1 представлены данные по определению растворимости различных препаратов метилцеллюлозы в воде. При анализе данных таблицы прежде всего обращает на себя внимание следующее обстоятельство: растворимость метилцеллюлозы в воде очень незначительна даже при сравнительно высоком содержании метоксилов (для метилцеллюлоз с большой степенью полимеризации). Метилцеллюлозы, имеющие более низкую степень полимеризации, растворимы в большей мере.

Способ получения метилцеллюлозы является существенным фактором, определяющим границы растворимости метилцеллюлозы в том или ином растворителе.

При получении метилцеллюлозы в растворе исходная кристаллическая структура разрушается, а новая решетка при регенерации из раствора строится не сразу (в специальных условиях), поэтому продукт получается аморфным и, следовательно, легче растворимым. Большое значение имеет различная доступность целлюлозы, благодаря чему получается смесь продуктов реакции, степень замещения которых различна. Такая неоднородность приводит к уменьшению количества растворимого вещества.

Весьма интересным является эффект замораживания, который проявляется в значительном увеличении растворимости.

Таблица 1.

Растворимость метилцеллюлозы в воде

Номер образца	Содержание ОСН3 ,%	Растворимость, в % от абсолютно сухой навески	Растворимость, в % от исходной навески	Содержание ОСНз в нерастворившейся части,%		Содержание ОСНз в растворенной части, %
				До замораживания	После замораживания и оттаивания	До замораживания	После замораживания и оттаивания
1	11,4	0,5	3,5	-	10,8	-	29,1
2	20,75	0	5,3	-	20,25	-	29,6
3	21,7	3,6	9,8	21,5	20,60	30,5	31,8
4	22,3	5,3	11,1	21,8	21,3	32,0	30,3
5	28,10	9,3	25,8	27,9	27,4	30,0	30,0
6	19,8	16,9	22,3	17,8	17,2	29,5	29,1
7	26,3	51,5	58,7	22,2	20,6	30,0	30,3

В табл. 2 представлены данные по растворимости низкозамещенной метилцеллюлозы в 6.5%-ном NаОН. В отличие от растворения в воде метилцеллюлоза уже при степени замещения около 5 растворяется на 95 % после замораживания в 6.5%-ном растворе NаОН. При замораживании низкозамещенной метилцеллюлозы средняя степень ее полимеризации (в случае относительно высокомолекулярных продуктов СП=1100—1200) уменьшается примерно до 1000. Продукты, полученные из предварительно деструктированной целлюлозы (путем окислительно-щелочной деструкции) и имевшие СП около 400, после замораживания почти не изменяют своей молекулярной массы.

Исследованию подвергались растворы низкозамещенной метилцеллюлозы с концентрацией 1—2 %,. которые можно отнести к концентрированным растворам. Необходимо отметить, что понятие о «концентрированных» растворах высокомолекулярных веществ в смысле концентрации условно и значительно отличается от обычного представления о концентрированных растворах.

Таблица 2

Растворимость низкозамещенной метилцеллюлозы в 6,5%-ном растворе NаОН

Номер образца	Степень замещения у	Содержание ОСНз в метилцеллюлозе , %	Растворимость, в % от исходной навески
При 291 К	После замораживания и оттаивания
1	68,6	12,4	3,4	100,0
2	66,9	12,1	3,4	97,8
3	64,5	11,66	2,8	100,0
4	50,3	9,1	2,3	99,3
5	47,5	8,6	Не опред.	98,0
6	30,4	5,5	Не опред.	99,2
7	24,3	4,4	0,5	99,0
8	22,7	4,1	Не опред.	98,5
9	16,6	3,0	Не опред.	96,0
10	11,6	2,1	Не опред.	95,3
11	9,4	1,7	Не опред.	95,1
12	6,6	1,2	Не опред.	48,0
13	1,3	0,25	Не опред.	35,6
14	21,5	3,9	7,6	100,0
15	29,9	5,4	9,57	100,0
16	32,1	5,8	11,87	100,0

Концентрированными растворами в химии высокомолекулярных соединений называются такие, в которых имеет место взаимодействие между отдельными частицами диспергированного вещества. В результате такого взаимодействия растворы высокомолекулярных веществ показывают целый ряд отклонений от законов, характерных для нормальных жидкостей. Эти отклонения имеют место уже в сравнительно разбавленных 0.3—0.5 %-ных растворах.

Изучавшиеся растворы низкозамещенной метилцеллюлозы имели концентрацию значительно большую, чем указанные величины, и довольно высокую степень полимеризации цепных молекул, поэтому их можно отнести к концентрированным растворам.

Как правило, концентрированные растворы эфиров целлюлозы являются достаточно устойчивыми во времени. То или иное изменение вязкости таких растворов во времени обусловливается влиянием ряда факторов, а именно: изменением степени этерификации растворенного продукта, изменением степени сольватации и возможностью образования трехмерных структур.

Наиболее подробно мы рассмотрим свойства водорастворимой метилцеллюлозы.

Свойства водорастворимой метилцеллюлозы

С повышением степени метилирования до γ=50 гигроскопичность получаемого эфира увеличивается. Это объясняется тем, что в макромолекулах целлюлозы имеет место взаимонасыщение большинства гидроксильных групп с образованием водородных связей.

При достижении более высокой степени замещения в области 26,5— 32,5 % содержания метоксильных групп метилцеллюлоза растворяется в воде. При дальнейшем увеличении метоксильных групп до 38 % и выше она теряет свою растворимость в воде (при комнатной температуре и выше). Высокометилированные продукты растворимы также в органических растворителях.

Водные растворы метилцеллюлозы (γ=160—200), так же как и в случае низкозамещенных метилцеллюлоз, не стабильны.

При нагревании растворов происходит ухудшение растворимости вплоть до осаждения полимера. Верхний предел температурной устойчивости раствора составляет для такого продукта 313—333 К (в зависимости от СП и концентрации). Объясняется это явление образованием «гидроксониевого соединения» алкоксильной группы с водой, которое при повышении температуры разрушается, приводя к осаждению полимера.

Была показана возможность переведения в раствор (водный) трех-замещенной метилцеллюлозы (триметилцеллюлоза предварительно переосаждалась петролейным эфиром из раствора в хлороформе). Верхний предел температурной устойчивости раствора триметилцеллюлозы в воде при концентрации около 2 % составляет 288 К. Такие растворы обладают хорошими пленкообразующими свойствами. Пленки, сформированные в эксикаторе над Р₂ 0₅ при низкой температуре, имеют прочность на разрыв (5—7)^. 10⁷ Н/м² .