سنتز هیدروکسی پروپیل متیل سلولز و گرافت با اکریل آمید

چکیده:

در این تحقیق از الیاف پنبه، ماده ای ارزشمند قابل حل در آب بدست آمد. سلولز قلیایی و هیدروکسی پروپیل متیل سلولز از پرکاربردترین مشتقات سلولزی محسوب می شوند. الیاف پنبه حاوی 100% سلولز می باشد، بنابراین نیازی به استخراج سلولز از آن نیست. هیدروکسی پروپیل متیل سلولز از واکنش بین پروپیلن اکسید ومتیلن کلرید با سلولز قلیایی تولید می شود که قابلیت حل شدن حتی در آب سرد را نیز دارد. سلولز قلیایی از طریق جذب هیدروکسید سدیم بر الیاف پنبه به وجود می آید. در این تحقیق هیدروکسی پروپیل متیل سلولز با موفقیت تولید شد که دارای درجه استخلاف بین 15/0 تا 7/0 و درجه خلوص 70% می باشد.

از هیدروکسی پروپیل متیل سلولز تولید شده برای اثبات ساختارشناسی طیف FTIR و برای شکل شناسی تحت عکس برداری الکترونی قرار گرفت. همچنین سینیتیک واکنش های انجام شده و تأثیر عوامل مختلف نظیر دما، زمان، غلظت مواد اولیه و نوع حلال روی کیفیت کربوکسی متیل سلولز حاصل مورد بررسی قرار گرفت.

کلمات کلیدی: هیدروکسی پروپیل متیل سلولز، سلولز قلیایی، مشتقات سلولزی قابل حل، سلولز.

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول: مقدمه

1-1- مقدمه

بعد از کاهش سقف تولید نفت اهمیت مواد حاوی سلولز[1] به عنوان یک منبع در دسترس و قابل تولید در طبیعت، در مصارف صنعتی افزایش پیدا کرده است. از بین فرآورده های سلولزی که دارای ارزش افزوده در بازار جهانی می باشند. می توان هیدروکسی پروپیل متیل سلولز[2] را به عنوان عمده ترین مشتقات سلولز قلمداد نمود. از آنجایی که سلولز خود به صورت طبیعی در حلال های مختلف مخصوصاً در آب حل نمی شود، برای استفاده از این ترکیب پرکاربرد باید راه حلی اتخاذ شود. اولین گام برای استفاده از سلولز، به صورت محلول درآوردن آن می باشد تا با این تکنیک بتوان از خواص مختلف این ماده که به صورت مشروح در این تحقیق آورده شده است، استفاده کرد ]1[.

یکی از این تکنیک ها اتری شدن[3] سلولز می باشد که این عمل از طریق جایگزینی استخلاف های مختلف با هیدروژن گروه های هیدروکسیل انجام می گیرد که یکی از نتایج آن تولید هیدروکسی پروپیل متیل سلولز می باشد و تولید آن شامل مراحل مختلفی می باشد که در هر مرحله بازده کار به عوامل مختلفی نظیر غلظت، دما، زمان و بسیاری عوامل دیگر وابسته می باشد. تأثیر هر کدام از عوامل بالا خود را در کیفیت محصول به دست آمده نشان می دهد که خود باعث کاربرد هیدروکسی پروپیل متیل سلولز (HPMC) در دامنه وسیعی از پروژه های صنعتی و تولید مواد گوناگون می شود. پلیمر اترهای سلولز خواص متنوعی دارند، از مواد ترموپلاستیک قابل حل در مواد آلی، تا افزودنی های غذایی قابل حل در آب [1, 2, 3, 4].

نوع و تعداد گروه‌های جایگزین شده در سلولز خواصی نظیر حلالیت، فعالیت سطحی، خواص ترموپلاستیک بودن، خصوصیات شکل‌گیری فیلم و تجزیه‌پذیری توسط میکروارگانیسم‌ها در آن را تعیین می‌کند         [5, 6, 7, 8].

تولیدات تجاری اترهای سلولز به دو گروه تقسیم می گردند. یکی از آنها اترهای سلولز قابل حل در آب که درصد زیادی از اترها را شامل می شوند و دسته دیگر اترهای سلولز قابل حل در مواد آلی می باشند.

تولید مشتقات سلولز مسائل اصولی و بنیادی بسیاری را برای مهندسین شیمی و شیمیدانان مطرح می کند. وجود نواحی کریستالی و بی شکل در فیبر سلولز به علاوه جهت گیری های زاویه ای و گوشه ای رشته های سلولز نیاز به کنترل دقیق برای بعمل آوری سلولز یا فعال کردن سلولز به کمک محلول هیدروکسید سدیم (NaOH) یا هیدروکسید پتاسیم (KOH) می باشد ]3[.

1-2- سلولز

سلولز پلی ساکارید[4] بی شاخه (خطی) است. پلی ساکاریدها، پلیمر مونوساکاریدها هستند. منوساکاریدها یا قندهای ساده از یک واحد آلدئیدی یا کتولی پلی هیدروکسی تشکیل شده اند. دو تا از فراوان ترین پلی ساکاریدها سلولز و نشاسته[5] می باشند که از مونومر گلوکز مشتق شده اند. در واقع سلولز ترکیب آلی از پلیمرهای طبیعی است که از تکرار واحد سلوبیوز[6] تشکیل شده است. هر واحد سلوبیوز از دو واحد گلوگز تشکیل شده است. به عبارت دیگر سلولز متشکل از چندین واحد انیدروگلوکز می باشد، که در ساختمان شیمیایی آن به تعداد n واحد انیدروگلوکز موجود می باشد و دارای وزن مولکولی در حدود 500000 بوده و بیشتر به صورت خطی است. سلولز دارای فرمول عمومی  است. رشته های سلولزی تمایل دارند که با پیوندهای هیدروژنی چندگانه به هم متصل شوند. تشکیل تعداد بسیار زیاد پیوند هیدروژنی باعث ساختمان کاملاً سخت سلولز می شود و به عنوان دیواره سلولی مواد زنده کاربرد مؤثر دارد [1, 9, 10].

همانطور که در بالا ذکر شد سلولز ساختار اولیه دیواره سلولی گیاهان را تشکیل می دهد. دستگاه گوارشی انسان قادر به هضم سلولز نیست و آن را بدون تغییر دفع می کند، اما برخی جانوران مثل نشخوارکننده ها و موریانه ها می توانند سلولز را به کمک میکروارگانیزمهایی که در دستگاه گوارش آنها زندگی می کنند، هضم کنند. این میکروارگانیزمها با آزاد کردن آنزیمهایی به هضم سلول کمک می کنند [11, 12].

1-3- ساختمان شیمیایی سلولز

در مولکول سلولز مولکولهای گلوکز نسبت به یکدیگر چرخش 180 درجه ای دارند. ضمن برقراری اتصال بین دو مولکول گلوکز از OH متصل به کربن 4 یک مولکول و OH کربن شماره 1 مولکول بعدی یک مولکول آب جدا می شود و پل اکسیژنی برقرار می شود. از سوی دیگر در مولکول سلولز امکان برقراری پیوندهای هیدروژنی نیز وجود دارد. پیوستن دو مولکول گلوکز موجب تشکیل یک مولکول سلوبیوز می شود. هر 5 مولکول سلوبیوز با آرایش فضایی مکعبی شکل، بلور سلولز را بوجود می آورند و از مجموعه بلورهای سلولز، رشته ابتدایی یا میسل سلولز تشکیل می شود که در شکل 1-1 نشان داده شده است. مجموعه میسلها، میکرو فیبریل سلولزی را بوجود می آورند که قطری حدود 25 نانومتر دارد. از مجموع حدود 20 میکروفیبریل، ماکروفیبریل سلولزی تشکیل می شود [11, 12, 13, 14].

شکل 1-1: ساختار کریستالی سلولز

در ساختمان شیمیایی سلولز که از منومر انیدروگلوکز تشکیل یافته است، سه گروه هیدروکسیل در هر واحد انیدروگلوکز وجود دارد که در آن کربن ها به ترتیب نشان داده شده در شکل 1-2 نام گذاری می گردند [10, 11, 15].

                                                                      

شکل 1-2: ترتیب نامگذاری کربن ها در منومر سلولز

بر طبق فرمول ارائه شده سه تا از هیدروکسیل های انیدروگلوکز؛ هیدروکسیل کربن شماره 2 (C-2) و کربن شماره 3 (C-3) الکل نوع دوم بوده و هیدروکسیل کربن شماره 6 (C-6) الکل نوع اول می باشد که ترتیب فعالیت گروه های هیدروکسیل فوق به صورت زیر ارائه شده است [16].

C-6 > C-3 > C-2

1-4- ابعاد سلولز

سلولز از واحدهای دارای قطر 35 آنگستروم تشکیل شده که آنها را رشته های ابتدایی می نامند. این قطر اغلب درست است اما حتمی نیست. مثلاً در برخی نمونه ها مثل سلولز جلبک والونیا 300 آنگستروم و در ترکیبات موسیلاژی برخی میوه ها تنها 1 آنگستروم است. به این ترتیب تصور حالت همگن برای رشته های ابتدایی سلولز کنار گذاشته شد و اشکال مختلف (استوانه ای – منشوری با قاعده مربعی – روبان کم و بیش پهن) منظور گردید. در شکل 1-3 زنجیرهای سلولز نشان داده شده است [1, 11, 12, 15].

شکل 1-3: زنجیر سلولز

همانطور که ذکر شد قرار دادن سلولز در هیدروکسید سدیم موجب متورم شدن الیاف آن شده و این تورم با غلظت سود متناسب است. به عبارت دیگر هر چه غلظت سود بیشتر باشد، حالت تورم الیاف سلولز بیشتر خواهد بود. از لحاظ شیمیایی یون سدیم جایگزین یکی از هیدروژن های سه گروه هیدروکسیل سلولز می گردد [21].

[1] . Cellulose

[2] . hedroxy propyle methyl xellulose

[3] . Etherification

[4] . Polysaccharide

[5] . Starch

[6] . Cellobios