实验二羧甲基纤维素的合成

实验二羧甲基纤维素的合成一、实验目的了解纤维素的化学改性、纤维素衍生物的种类及其应用二、实验原理天然纤维素由于分子间和分子内存在很强的氢键作用，难以溶解和熔融，加工成型性能差，限制了使用。天然纤维素经过化学改性后，引入的基团可以破坏这些氢键作用，使得纤维素衍生物能够进行纺丝、成膜和成型等加工工艺，因此在高分子工业发展初期占据非常重要的地位。纤维素的衍生物按取代基的种类可分为醚化纤维素（纤维素的羟基与卤化烃或环氧化物等醚化试剂反应而形成醚键）和酯化纤维素（纤维素的羟基与羧酸或无机酸反应成酯键）。羧甲基纤维素是一种醚化纤维素，它是经氯乙酸和纤维素在碱存在下进行反应而制备的。由于氢键作用，纤维素分子有很强的结晶能力，难以与小分子化合物发生化学反应，直接反应往往得到取代不均一的产品，通常纤维素需在低温下用NaOH溶液进行处理，破坏纤维素分子间和分子内的氢键，使之转变成反应活性较高的碱纤维素，即纤维素与碱、水形成的络合物。低温处理有利于纤维素与碱结合，并可抑制纤维素的水解，碱纤维素的组成将影响到醚化反应和醚化产物的性能。纤维素的吸碱过程并非是单纯的物理吸附过程，葡萄糖单元的羟基能与碱形成醇盐。除碱液浓度和温度外，某些添加剂也会影响到碱纤维素的形成，如低级脂肪醇的加入会增加纤维素的吸碱量。醚化剂与碱纤维素的反应是多相反应，醚化反应取决于醚化剂在碱水溶液的溶解和扩散渗透速度，同时还存在纤维素降解和醚化剂水解等副反应。碘代烷作为醚化剂，虽然反应活性高，但是扩散慢、溶解性能差；高级氯化烷也存在同样问题。硫酸二甲酯溶解性好，但是反应效率低，只能制备低取代的甲基纤维素。碱液浓度和碱纤维素的组成对醚化反应很大影响，原则上碱纤维素的碱量不应超过活化纤维素羟基的必要量，尽可能降低纤维素的含水量也是必要的。醚化反应结束后，用适量的酸中和未反应的碱以终止反应，经分离、精制和干燥后得到所需产品。羧甲基纤维素是一种聚电解质，能够溶于冷水和热水中，广泛应用于涂料、食品、造纸和日化等领域。三、实验仪器及设备恒温水浴、电动搅拌器、回流冷凝管、温度计、三口烧瓶、酸式滴定管、锥形瓶、通氮装置、真空抽滤装置、研钵四、实验药品95%异丙醇、甲醇、氯乙酸、氢氧化钠、微晶纤维素或纤维素粉、盐酸、0.1mol/L标准NaOH溶液，0.1mol/L标准HCl溶液，酚酞指示剂（10g/L），AgNO3溶液，pH试纸五、实验步骤纤维素的醚化：将50ml95%异丙醇和8.2ml45%NaOH水溶液加入到装有机械搅拌器的三口烧瓶中，并开动搅拌，缓慢加入5g微晶纤维素，于30℃剧烈搅拌40min，即可完成纤维素的碱化，将氯乙酸溶于异丙醇中，配制成50%的溶液，向三口烧瓶中加入8.6ml该溶液。充分混合后，升温至75℃反应40min，冷却至室温，用1mol/L的稀盐酸中和pH为4，用甲醇反复洗涤除去无机盐和未反应的氯乙酸（向反应体系中加入100ml甲醇，过滤，用少量甲醇洗涤滤饼）。干燥，粉碎，称重，计算取代度。取代度的测定：用70%的甲醇溶液配制1mol/L的HCl/CH3OH溶液，取0.5g醚化纤维素浸于20mL上述溶液中，搅拌3h，使纤维素的羧甲基钠完全酸化，抽滤，用蒸馏水洗至溶液无氯离子。用过量的标准NaOH溶液溶解，得到透明溶液，以酚酞作指示剂，用标准盐酸溶液滴定至终点，计算取代度，并与重量法进行比较。取代度=0.162A/(1-0.058A)其中A为每克羧甲基纤维素消耗的NaOH毫克数。六、思考题1、纤维素中葡萄糖单元有三个羟基，哪一个最容易与碱形成醇盐？碱浓度过大对纤维素醚化反应有何影响？2、二级和三级氯代烃为什么不能作为纤维素的醚化剂？3、取代度计算公式是如何得到的？