01. Introductie van cellulose
Cellulose is een macromoleculair polysaccharide, opgebouwd uit glucose. Het is onoplosbaar in water en de meeste organische oplosmiddelen. Het is het belangrijkste bestanddeel van de celwand van planten en tevens het meest voorkomende en meest voorkomende polysaccharide in de natuur.
Cellulose is de meest voorkomende hernieuwbare grondstof op aarde en tevens het natuurlijke polymeer met de grootste accumulatie. Het heeft als voordelen dat het hernieuwbaar, volledig biologisch afbreekbaar en goed biocompatibel is.
02. Redenen voor het modificeren van cellulose
Cellulosemacromoleculen bevatten een groot aantal -OH-groepen. Door de waterstofbruggen is de kracht tussen de macromoleculen relatief groot, wat leidt tot een grote smeltenthalpie △H. Aan de andere kant bevatten cellulosemacromoleculen ringen. Deze ringstructuur zorgt voor een grotere stijfheid van de moleculaire keten, wat resulteert in een kleinere smeltentropieverandering ΔS. Deze twee factoren zorgen ervoor dat de temperatuur van gesmolten cellulose (= △H / △S) hoger wordt, terwijl de ontledingstemperatuur van cellulose relatief laag is. Daarom treedt bij het verhitten van cellulosevezels het verschijnsel op dat de cellulose al ontleed is voordat deze begint te smelten. De verwerking van cellulosematerialen kan daarom niet plaatsvinden door eerst te smelten en vervolgens te vormen.
03. Betekenis van cellulosemodificatie
Door de geleidelijke uitputting van fossiele brandstoffen en de steeds ernstiger wordende milieuproblemen veroorzaakt door afval van chemische vezels in de textielindustrie, is de ontwikkeling en het gebruik van natuurlijke, hernieuwbare vezelmaterialen een belangrijk aandachtspunt geworden. Cellulose is de meest voorkomende hernieuwbare natuurlijke grondstof. Het heeft uitstekende eigenschappen zoals een goede hygroscopiciteit, antistatische eigenschappen, een hoge luchtdoorlaatbaarheid, goede verfbaarheid, draagcomfort, gemakkelijke textielverwerking en biologische afbreekbaarheid. Deze eigenschappen zijn onvergelijkbaar met die van chemische vezels.
Cellulosemoleculen bevatten een groot aantal hydroxylgroepen, die gemakkelijk intramoleculaire en intermoleculaire waterstofbruggen vormen en bij hoge temperaturen ontbinden zonder te smelten. Cellulose heeft echter een goede reactiviteit en de waterstofbruggen kunnen worden verbroken door chemische modificatie of entingsreacties, waardoor het smeltpunt effectief kan worden verlaagd. Als veelzijdig industrieel product wordt het veel gebruikt in textiel, membraanscheiding, kunststoffen, tabak en coatings.
04. Cellulose-etherificatiemodificatie
Cellulose-ether is een cellulose-derivaat dat wordt verkregen door etherificatie van cellulose. Het wordt veel gebruikt vanwege zijn uitstekende verdikkings-, emulgerende, suspenderende, filmvormende, beschermende colloïdale, vochtvasthoudende en hechtende eigenschappen. Het wordt toegepast in voedingsmiddelen, geneesmiddelen, papierproductie, verf, bouwmaterialen, enzovoort.
Etherificatie van cellulose is een proces waarbij een reeks derivaten wordt gevormd door de reactie van hydroxylgroepen in de cellulosemolecuulketen met alkyleringsmiddelen onder alkalische omstandigheden. Door de consumptie van hydroxylgroepen neemt het aantal intermoleculaire waterstofbruggen af, waardoor de intermoleculaire krachten verminderen. Dit leidt tot een verbeterde thermische stabiliteit van cellulose, betere verwerkbaarheid van de materialen en een verlaagd smeltpunt van cellulose.
Voorbeelden van effecten van etherificatiemodificatie op andere functies van cellulose:
De onderzoekers gebruikten geraffineerd katoen als basisgrondstof om via een eenstaps etherificatieproces een carboxymethylhydroxypropylcellulose-complexether te bereiden. Deze ether kenmerkt zich door een uniforme reactie, hoge viscositeit, goede zuur- en zoutbestendigheid en een goede oplosbaarheid. Door dit eenstaps etherificatieproces te gebruiken, vertoont de geproduceerde carboxymethylhydroxypropylcellulose een goede zout- en zuurbestendigheid en oplosbaarheid. Door de relatieve hoeveelheden propyleenoxide en chloorazijnzuur te variëren, kunnen producten met verschillende carboxymethyl- en hydroxypropylgehaltes worden bereid. De testresultaten tonen aan dat de met de eenstapsmethode geproduceerde carboxymethylhydroxypropylcellulose een korte productiecyclus en een laag oplosmiddelverbruik heeft. Bovendien is het product uitstekend bestand tegen monovalente en divalente zouten en heeft het een goede zuurbestendigheid.
05. Toekomstperspectief van cellulose-etherificatiemodificatie
Cellulose is een belangrijke chemische grondstof die rijk is aan natuurlijke hulpbronnen, groen en milieuvriendelijk, en hernieuwbaar. De derivaten van cellulose, verkregen door etherificatie en modificatie, hebben uitstekende eigenschappen, een breed scala aan toepassingen en een gunstig effect. Ze voorzien grotendeels in de behoeften van de nationale economie en de maatschappelijke ontwikkeling. Met de voortdurende technologische vooruitgang en de realisatie van commercialisering in de toekomst, zal een verdere industrialisatie van de synthetische grondstoffen en synthesemethoden voor cellulosederivaten leiden tot een bredere benutting en een grotere waardecreatie.
Geplaatst op: 20 februari 2023