১. সেলুলোজ ইথারের গঠন ও প্রস্তুতি নীতি
চিত্র 1 সেলুলোজ ইথারের সাধারণ গঠন দেখায়। প্রতিটি bD-অ্যানহাইড্রোগ্লুকোজ ইউনিট (সেলুলোজের পুনরাবৃত্ত একক) C (2), C (3) এবং C (6) অবস্থানে একটি গ্রুপ প্রতিস্থাপন করে, অর্থাৎ, তিনটি পর্যন্ত ইথার গ্রুপ থাকতে পারে। আন্তঃ-শৃঙ্খল এবং অন্তঃ-শৃঙ্খল হাইড্রোজেন বন্ধনের কারণে।সেলুলোজ ম্যাক্রোমলিকিউলএটি জলে এবং প্রায় সমস্ত জৈব দ্রাবকে সহজে দ্রবীভূত হয় না। ইথারিফিকেশন প্রক্রিয়ার মাধ্যমে ইথার গ্রুপ যুক্ত করলে আন্তঃআণবিক ও অন্তঃআণবিক হাইড্রোজেন বন্ধন ধ্বংস হয়, এর জলপ্রিয়তা বৃদ্ধি পায় এবং জলীয় মাধ্যমে এর দ্রবণীয়তা ব্যাপকভাবে উন্নত হয়।
সাধারণ ইথারিফাইড প্রতিস্থাপকগুলি হল কম আণবিক ওজনের অ্যালকক্সি গ্রুপ (১ থেকে ৪টি কার্বন পরমাণু) বা হাইড্রোক্সিঅ্যালকাইল গ্রুপ, যেগুলি পরে কার্বক্সিল, হাইড্রোক্সিল বা অ্যামিনো গ্রুপের মতো অন্যান্য কার্যকরী গ্রুপ দ্বারা প্রতিস্থাপিত হতে পারে। প্রতিস্থাপকগুলি এক, দুই বা ততোধিক ভিন্ন ধরনের হতে পারে। সেলুলোজ ম্যাক্রোমলিকুলার চেইন বরাবর, প্রতিটি গ্লুকোজ ইউনিটের C(2), C(3) এবং C(6) অবস্থানে থাকা হাইড্রোক্সিল গ্রুপগুলি বিভিন্ন অনুপাতে প্রতিস্থাপিত হয়। কঠোরভাবে বলতে গেলে, সেলুলোজ ইথারের সাধারণত কোনো নির্দিষ্ট রাসায়নিক গঠন নেই, সেইসব পণ্য ব্যতীত যেগুলি সম্পূর্ণরূপে এক ধরণের গ্রুপ দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয় (তিনটি হাইড্রোক্সিল গ্রুপই প্রতিস্থাপিত হয়)। এই পণ্যগুলি শুধুমাত্র পরীক্ষাগার বিশ্লেষণ এবং গবেষণার জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে এবং এর কোনো বাণিজ্যিক মূল্য নেই।
(ক) সেলুলোজ ইথার আণবিক শৃঙ্খলের দুটি অ্যানহাইড্রোগ্লুকোজ এককের সাধারণ গঠন, R1~R6=H, অথবা একটি জৈব প্রতিস্থাপক;
(খ) কার্বোক্সিমিথাইলের একটি আণবিক শৃঙ্খল খণ্ডহাইড্রোক্সিইথাইল সেলুলোজকার্বোক্সিমিথাইলের প্রতিস্থাপনের মাত্রা ০.৫, হাইড্রোক্সিইথাইলের প্রতিস্থাপনের মাত্রা ২.০ এবং মোলার প্রতিস্থাপনের মাত্রা ৩.০। এই কাঠামোটি ইথারিফাইড গ্রুপগুলির গড় প্রতিস্থাপন স্তরকে প্রতিনিধিত্ব করে, কিন্তু প্রতিস্থাপকগুলি আসলে এলোমেলো।
প্রতিটি প্রতিস্থাপকের জন্য, ইথারিফিকেশনের মোট পরিমাণকে প্রতিস্থাপনের মাত্রা (DS) মান দ্বারা প্রকাশ করা হয়। DS-এর পরিসর হলো ০~৩, যা প্রতিটি অ্যানহাইড্রোগ্লুকোজ এককে ইথারিফিকেশন গ্রুপ দ্বারা প্রতিস্থাপিত হাইড্রোক্সিল গ্রুপের গড় সংখ্যার সমতুল্য।
হাইড্রোক্সিঅ্যালকাইল সেলুলোজ ইথারের ক্ষেত্রে, প্রতিস্থাপন বিক্রিয়াটি নতুন মুক্ত হাইড্রোক্সিল গ্রুপ থেকে ইথারিফিকেশন শুরু করে, এবং প্রতিস্থাপনের মাত্রা MS মান, অর্থাৎ মোলার প্রতিস্থাপন মাত্রা দ্বারা পরিমাপ করা যায়। এটি প্রতিটি অ্যানহাইড্রোগ্লুকোজ এককে যুক্ত হওয়া ইথারিফাইং এজেন্ট বিক্রিয়কের গড় মোল সংখ্যাকে নির্দেশ করে। একটি সাধারণ বিক্রিয়ক হলো ইথিলিন অক্সাইড এবং উৎপাদটিতে একটি হাইড্রোক্সিইথাইল প্রতিস্থাপক থাকে। চিত্র ১-এ, উৎপাদটির MS মান হলো ৩.০।
তাত্ত্বিকভাবে, MS মানের কোনো ঊর্ধ্বসীমা নেই। যদি প্রতিটি গ্লুকোজ রিং গ্রুপের প্রতিস্থাপনের মাত্রার DS মান জানা থাকে, তবে ইথার সাইড চেইনের গড় দৈর্ঘ্যও জানা যায়। কিছু প্রস্তুতকারক প্রায়শই DS এবং MS মানের পরিবর্তে প্রতিস্থাপনের স্তর এবং মাত্রা বোঝাতে বিভিন্ন ইথারিফিকেশন গ্রুপের (যেমন -OCH3 বা -OC2H4OH) ভর ভগ্নাংশ (wt%) ব্যবহার করে। প্রতিটি গ্রুপের ভর ভগ্নাংশ এবং এর DS বা MS মান সাধারণ গণনার মাধ্যমে রূপান্তর করা যায়।
অধিকাংশ সেলুলোজ ইথার হলো পানিতে দ্রবণীয় পলিমার, এবং কিছু কিছু জৈব দ্রাবকে আংশিকভাবে দ্রবণীয়। সেলুলোজ ইথারের উচ্চ কার্যকারিতা, স্বল্প মূল্য, সহজ প্রক্রিয়াকরণ, স্বল্প বিষাক্ততা এবং ব্যাপক বৈচিত্র্যের মতো বৈশিষ্ট্য রয়েছে এবং এর চাহিদা ও প্রয়োগক্ষেত্র ক্রমাগত প্রসারিত হচ্ছে। একটি সহায়ক উপাদান হিসেবে, শিল্পের বিভিন্ন ক্ষেত্রে সেলুলোজ ইথারের ব্যাপক প্রয়োগ সম্ভাবনা রয়েছে। এটি MS/DS দ্বারা নির্ণয় করা যায়।
প্রতিস্থাপকগুলির রাসায়নিক গঠন অনুসারে সেলুলোজ ইথারগুলিকে অ্যানায়নিক, ক্যাটায়নিক এবং নন-আয়নিক ইথার হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করা হয়। নন-আয়নিক ইথারগুলিকে জলে দ্রবণীয় এবং তেলে দ্রবণীয় পণ্যে বিভক্ত করা যেতে পারে।
শিল্পায়িত পণ্যগুলো সারণি ১-এর উপরের অংশে তালিকাভুক্ত করা হয়েছে। সারণি ১-এর নিচের অংশে কিছু পরিচিত ইথারিফিকেশন গ্রুপের তালিকা দেওয়া হয়েছে, যেগুলো এখনো গুরুত্বপূর্ণ বাণিজ্যিক পণ্য হয়ে ওঠেনি।
মিশ্র ইথার প্রতিস্থাপকগুলির সংক্ষিপ্ত রূপ বর্ণানুক্রমিকভাবে অথবা সংশ্লিষ্ট DS (MS)-এর স্তর অনুসারে নামকরণ করা যেতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, ২-হাইড্রোক্সিইথাইল মিথাইলসেলুলোজের সংক্ষিপ্ত রূপ হলো HEMC, এবং মিথাইল প্রতিস্থাপকটিকে বিশেষভাবে তুলে ধরতে এটিকে MHEC হিসেবেও লেখা যেতে পারে।
সেলুলোজের হাইড্রোক্সিল গ্রুপগুলো ইথারিফিকেশন এজেন্টের নাগালের বাইরে থাকে, এবং ইথারিফিকেশন প্রক্রিয়াটি সাধারণত ক্ষারীয় অবস্থায়, একটি নির্দিষ্ট ঘনত্বের NaOH জলীয় দ্রবণ ব্যবহার করে সম্পন্ন করা হয়। প্রথমে NaOH জলীয় দ্রবণের সাহায্যে সেলুলোজকে স্ফীত ক্ষারীয় সেলুলোজে পরিণত করা হয় এবং তারপর এটি ইথারিফিকেশন এজেন্টের সাথে ইথারিফিকেশন বিক্রিয়ায় অংশ নেয়। মিশ্র ইথারের উৎপাদন ও প্রস্তুতির সময়, বিভিন্ন ধরণের ইথারিফিকেশন এজেন্ট একই সাথে ব্যবহার করা উচিত, অথবা (প্রয়োজনে) বিরতি দিয়ে ধাপে ধাপে ইথারিফিকেশন করা উচিত। সেলুলোজের ইথারিফিকেশনে চার ধরণের বিক্রিয়া রয়েছে, যা বিক্রিয়ার সূত্র (সেলুলোজিক-এর পরিবর্তে Cell-OH) দ্বারা নিম্নরূপে সংক্ষিপ্ত করা হলো:
সমীকরণ (1) উইলিয়ামসন ইথারিফিকেশন বিক্রিয়া বর্ণনা করে। RX হল একটি অজৈব অ্যাসিড এস্টার, এবং X হল হ্যালোজেন Br, Cl বা সালফিউরিক অ্যাসিড এস্টার। ক্লোরাইড R-Cl সাধারণত শিল্পে ব্যবহৃত হয়, উদাহরণস্বরূপ, মিথাইল ক্লোরাইড, ইথাইল ক্লোরাইড বা ক্লোরোঅ্যাসিটিক অ্যাসিড। এই ধরনের বিক্রিয়ায় একটি স্টোইকিওমেট্রিক পরিমাণ ক্ষার ব্যবহৃত হয়। শিল্পজাত সেলুলোজ ইথার পণ্য মিথাইল সেলুলোজ, ইথাইল সেলুলোজ এবং কার্বোক্সিমিথাইল সেলুলোজ হল উইলিয়ামসন ইথারিফিকেশন বিক্রিয়ার উৎপাদ।
বিক্রিয়া সূত্র (2) হল ক্ষার ব্যবহার না করে সেলুলোজ অণুর হাইড্রোক্সিল গ্রুপের সাথে ক্ষার-অনুঘটক ইপোক্সাইডের (যেমন R=H, CH3, বা C2H5) সংযোজন বিক্রিয়া। এই বিক্রিয়া চলতে থাকার সম্ভাবনা রয়েছে কারণ বিক্রিয়া চলাকালীন নতুন হাইড্রোক্সিল গ্রুপ তৈরি হয়, যার ফলে অলিগোঅ্যালকাইলইথিলিন অক্সাইড পার্শ্ব শৃঙ্খল গঠিত হয়: 1-অ্যাজিরাইডিন (অ্যাজিরাইডিন) এর সাথে একটি অনুরূপ বিক্রিয়া অ্যামিনোইথাইল ইথার তৈরি করবে: Cell-O-CH2-CH2-NH2। হাইড্রোক্সিইথাইল সেলুলোজ, হাইড্রোক্সিপ্রোপাইল সেলুলোজ এবং হাইড্রোক্সিবিউটাইল সেলুলোজের মতো পণ্যগুলি সবই ক্ষার-অনুঘটক ইপোক্সিডেশনের ফল।
বিক্রিয়া সূত্র (3) হল ক্ষারীয় মাধ্যমে Cell-OH এবং সক্রিয় দ্বিবন্ধনযুক্ত জৈব যৌগের মধ্যে বিক্রিয়া, Y হল একটি ইলেকট্রন-আকর্ষী গ্রুপ, যেমন CN, CONH2, বা SO3-Na+। বর্তমানে এই ধরণের বিক্রিয়া শিল্পক্ষেত্রে খুব কমই ব্যবহৃত হয়।
বিক্রিয়া সূত্র (4), ডায়াজোঅ্যালকেন দিয়ে ইথারিফিকেশন এখনও শিল্পায়িত হয়নি।
- সেলুলোজ ইথারের প্রকারভেদ
সেলুলোজ ইথার মনোইথার বা মিশ্র ইথার হতে পারে এবং এদের বৈশিষ্ট্য ভিন্ন। সেলুলোজ ম্যাক্রোমলিকিউলে কম প্রতিস্থাপিত হাইড্রোফিলিক গ্রুপ, যেমন হাইড্রোক্সিইথাইল গ্রুপ, থাকে যা পণ্যটিকে একটি নির্দিষ্ট মাত্রার জল দ্রবণীয়তা প্রদান করতে পারে, অন্যদিকে হাইড্রোফোবিক গ্রুপ, যেমন মিথাইল, ইথাইল ইত্যাদির ক্ষেত্রে, শুধুমাত্র মাঝারি মাত্রার প্রতিস্থাপনই পণ্যটিকে একটি নির্দিষ্ট জল দ্রবণীয়তা দিতে পারে এবং কম প্রতিস্থাপিত পণ্যটি কেবল জলে ফুলে ওঠে বা লঘু ক্ষারীয় দ্রবণে দ্রবীভূত হতে পারে। সেলুলোজ ইথারের বৈশিষ্ট্য নিয়ে গভীর গবেষণার ফলে, নতুন সেলুলোজ ইথার এবং তাদের প্রয়োগ ক্ষেত্র ক্রমাগত বিকশিত ও উৎপাদিত হবে এবং এর সবচেয়ে বড় চালিকাশক্তি হলো এর বিস্তৃত ও ক্রমাগত পরিমার্জিত প্রয়োগ বাজার।
মিশ্র ইথারে দ্রাব্যতা বৈশিষ্ট্যের উপর গ্রুপসমূহের প্রভাবের সাধারণ সূত্রটি হলো:
১) ইথারের জলবিকর্ষিতা বাড়াতে এবং জেল বিন্দু কমাতে পণ্যটিতে জলবিকর্ষী গ্রুপের পরিমাণ বৃদ্ধি করা;
২) এর জেল পয়েন্ট বাড়ানোর জন্য হাইড্রোফিলিক গ্রুপের (যেমন হাইড্রোক্সিইথাইল গ্রুপ) পরিমাণ বৃদ্ধি করা;
৩) হাইড্রোক্সিপ্রোপাইল গ্রুপটি বিশেষ ধরনের, এবং সঠিক হাইড্রোক্সিপ্রোপাইলেশন পণ্যের জেল তাপমাত্রা কমাতে পারে, এবং মাঝারি হাইড্রোক্সিপ্রোপাইলেটেড পণ্যের জেল তাপমাত্রা আবার বেড়ে যায়, কিন্তু উচ্চ মাত্রার প্রতিস্থাপন এর জেল পয়েন্ট কমিয়ে দেয়; এর কারণ হলো হাইড্রোক্সিপ্রোপাইল গ্রুপের বিশেষ কার্বন চেইনের দৈর্ঘ্যের গঠন, নিম্ন মাত্রার হাইড্রোক্সিপ্রোপাইলেশন, সেলুলোজ ম্যাক্রোমলিকিউলের অণুগুলোর ভেতরের ও বাইরের হাইড্রোজেন বন্ধন দুর্বল করে দেয় এবং শাখা চেইনের হাইড্রোফিলিক হাইড্রোক্সিল গ্রুপগুলো পানির প্রতি আকৃষ্ট হয়। অন্যদিকে, যদি প্রতিস্থাপন বেশি হয়, তাহলে পার্শ্ব গ্রুপে পলিমারাইজেশন ঘটবে, হাইড্রোক্সিল গ্রুপের আপেক্ষিক পরিমাণ কমে যাবে, হাইড্রোফোবিসিটি বেড়ে যাবে এবং এর পরিবর্তে দ্রবণীয়তা কমে যাবে।
উৎপাদন এবং গবেষণাসেলুলোজ ইথারএর একটি দীর্ঘ ইতিহাস রয়েছে। ১৯০৫ সালে, সুইডা সর্বপ্রথম সেলুলোজের ইথারিফিকেশনের কথা জানান, যা ডাইমিথাইল সালফেট দ্বারা মিথাইলেটেড করা হয়েছিল। নন-আয়নিক অ্যালকাইল ইথার যথাক্রমে জলে দ্রবণীয় বা তেলে দ্রবণীয় সেলুলোজ ইথারের জন্য লিলিয়েনফেল্ড (১৯১২), ড্রেফাস (১৯১৪) এবং লিউক্স (১৯২০) দ্বারা পেটেন্ট করা হয়েছিল। ১৯২১ সালে বুখলার এবং গোমবার্গ বেনজাইল সেলুলোজ উৎপাদন করেন, ১৯১৮ সালে জ্যানসেন সর্বপ্রথম কার্বোক্সিমিথাইল সেলুলোজ উৎপাদন করেন এবং ১৯২০ সালে হুবার্ট হাইড্রোক্সিইথাইল সেলুলোজ উৎপাদন করেন। ১৯২০-এর দশকের শুরুতে, জার্মানিতে কার্বোক্সিমিথাইলসেলুলোজের বাণিজ্যিকীকরণ শুরু হয়। ১৯৩৭ থেকে ১৯৩৮ সালের মধ্যে, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে এমসি এবং এইচইসি-এর শিল্প উৎপাদন বাস্তবায়িত হয়। সুইডেন ১৯৪৫ সালে জলে দ্রবণীয় ইএইচইসি-এর উৎপাদন শুরু করে। ১৯৪৫ সালের পর, পশ্চিম ইউরোপ, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র এবং জাপানে সেলুলোজ ইথারের উৎপাদন দ্রুত প্রসারিত হয়। ১৯৫৭ সালের শেষের দিকে সাংহাই সেলুলয়েড কারখানায় চীনে প্রথম সেলুলোজ ইথার (সিএমসি) উৎপাদন শুরু হয়। ২০০৪ সাল নাগাদ আমাদের দেশের উৎপাদন ক্ষমতা দাঁড়ায় ৩০,০০০ টন আয়নিক ইথার এবং ১০,০০০ টন নন-আয়নিক ইথার। ২০০৭ সাল নাগাদ এটি ১,০০,০০০ টন আয়নিক ইথার এবং ৪০,০০০ টন নন-আয়নিক ইথারে পৌঁছাবে। দেশে ও বিদেশে যৌথ প্রযুক্তি সংস্থাগুলোও ক্রমাগত গড়ে উঠছে এবং চীনের সেলুলোজ ইথার উৎপাদন ক্ষমতা ও প্রযুক্তিগত স্তর ক্রমাগত উন্নত হচ্ছে।
সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, বিভিন্ন DS মান, সান্দ্রতা, বিশুদ্ধতা এবং রিওলজিক্যাল বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন অনেক সেলুলোজ মনোইথার এবং মিশ্র ইথার ক্রমাগতভাবে উদ্ভাবিত হয়েছে। বর্তমানে, সেলুলোজ ইথারের ক্ষেত্রে উন্নয়নের মূল লক্ষ্য হলো উন্নত উৎপাদন প্রযুক্তি গ্রহণ করা এবং নতুন প্রস্তুতি প্রযুক্তি ও নতুন সরঞ্জামের মাধ্যমে নতুন পণ্য, উচ্চ-মানের পণ্য ও সুশৃঙ্খল পণ্য নিয়ে প্রযুক্তিগতভাবে গবেষণা করা।
পোস্ট করার সময়: ২৮-এপ্রিল-২০২৪