การดัดแปลงอีเทอร์ริฟิเคชันของเซลลูโลส

01. การแนะนำเซลลูโลส

เซลลูโลสเป็นพอลิแซ็กคาไรด์โมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยกลูโคส ไม่ละลายในน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์ทั่วไป เป็นส่วนประกอบหลักของผนังเซลล์พืช และยังเป็นพอลิแซ็กคาไรด์ที่พบได้แพร่หลายและมีปริมาณมากที่สุดในธรรมชาติ

เซลลูโลสเป็นทรัพยากรหมุนเวียนที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดบนโลก และยังเป็นพอลิเมอร์ธรรมชาติที่มีปริมาณสะสมมากที่สุดอีกด้วย มีข้อดีคือเป็นทรัพยากรหมุนเวียน ย่อยสลายได้ทางชีวภาพอย่างสมบูรณ์ และเข้ากันได้ดีกับสิ่งมีชีวิต

02. เหตุผลในการปรับเปลี่ยนเซลลูโลส

โมเลกุลขนาดใหญ่ของเซลลูโลสประกอบด้วยหมู่ -OH จำนวนมาก เนื่องจากผลของพันธะไฮโดรเจน แรงระหว่างโมเลกุลจึงค่อนข้างมาก ส่งผลให้เอนทาลปีการหลอมเหลว △H มีค่ามาก ในทางกลับกัน โมเลกุลขนาดใหญ่ของเซลลูโลสมีโครงสร้างเป็นวงแหวน ทำให้ความแข็งแกร่งของสายโซ่โมเลกุลมากขึ้น ส่งผลให้การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปีการหลอมเหลว ΔS มีค่าน้อยลง ด้วยเหตุผลทั้งสองนี้ ทำให้อุณหภูมิการหลอมเหลวของเซลลูโลส (= △H / △S ) สูงขึ้น และอุณหภูมิการสลายตัวของเซลลูโลสค่อนข้างต่ำ ดังนั้น เมื่อเซลลูโลสถูกให้ความร้อนถึงอุณหภูมิหนึ่ง เส้นใยจะเกิดปรากฏการณ์ที่เซลลูโลสสลายตัวก่อนที่จะเริ่มหลอมเหลว ดังนั้น การแปรรูปวัสดุเซลลูโลสจึงไม่สามารถใช้วิธีการหลอมเหลวก่อนแล้วจึงขึ้นรูปได้

03. ความสำคัญของการดัดแปลงเซลลูโลส

ด้วยการที่ทรัพยากรฟอสซิลค่อยๆ ลดลง และปัญหาสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงขึ้นเรื่อยๆ จากของเสียจากเส้นใยเคมี การพัฒนาและการใช้ประโยชน์จากวัสดุเส้นใยธรรมชาติที่หมุนเวียนได้จึงกลายเป็นประเด็นสำคัญที่ผู้คนให้ความสนใจ เซลลูโลสเป็นทรัพยากรธรรมชาติที่หมุนเวียนได้มากที่สุด มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม เช่น ดูดซับความชื้นได้ดี ป้องกันไฟฟ้าสถิต ระบายอากาศได้ดี ย้อมสีได้ดี สวมใส่สบาย แปรรูปเป็นสิ่งทอได้ง่าย และย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ซึ่งมีคุณสมบัติที่เส้นใยเคมีไม่สามารถเทียบได้

โมเลกุลของเซลลูโลสมีหมู่ไฮดรอกซิลจำนวนมาก ซึ่งง่ายต่อการเกิดพันธะไฮโดรเจนทั้งภายในและภายนอกโมเลกุล และสลายตัวที่อุณหภูมิสูงโดยไม่หลอมเหลว อย่างไรก็ตาม เซลลูโลสมีปฏิกิริยาที่ดี และพันธะไฮโดรเจนของมันสามารถถูกทำลายได้ด้วยการดัดแปลงทางเคมีหรือปฏิกิริยาการเชื่อมต่อ ซึ่งสามารถลดจุดหลอมเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ เซลลูโลสถูกนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมหลากหลายประเภท เช่น สิ่งทอ การแยกด้วยเมมเบรน พลาสติก ยาสูบ และสารเคลือบ

04. การดัดแปลงเซลลูโลสด้วยกระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชัน

เซลลูโลสอีเทอร์เป็นอนุพันธ์ของเซลลูโลสชนิดหนึ่งที่ได้จากการดัดแปลงเซลลูโลสด้วยกระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชัน มีการใช้งานอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมหลายประการ เช่น การเพิ่มความหนืด การทำให้เป็นอิมัลชัน การแขวนลอย การสร้างฟิล์ม การเป็นคอลลอยด์ป้องกัน การกักเก็บความชื้น และการยึดเกาะ ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร ยา การผลิตกระดาษ สี วัสดุก่อสร้าง เป็นต้น

การสังเคราะห์เซลลูโลสด้วยปฏิกิริยาอีเทอร์ริฟิเคชัน คือการสร้างอนุพันธ์หลายชนิดโดยปฏิกิริยาของหมู่ไฮดรอกซิลบนสายโมเลกุลของเซลลูโลสกับสารอัลคิเลตภายใต้สภาวะด่าง การลดลงของหมู่ไฮดรอกซิลจะลดจำนวนพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุล ทำให้แรงระหว่างโมเลกุลลดลง ส่งผลให้เสถียรภาพทางความร้อนของเซลลูโลสดีขึ้น ประสิทธิภาพในการแปรรูปวัสดุดีขึ้น และในขณะเดียวกันก็ลดจุดหลอมเหลวของเซลลูโลสลงด้วย

ตัวอย่างผลกระทบของการดัดแปลงด้วยกระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชันต่อการทำงานอื่นๆ ของเซลลูโลส:

โดยใช้ฝ้ายบริสุทธิ์เป็นวัตถุดิบหลัก นักวิจัยได้ใช้กระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชันแบบขั้นตอนเดียวในการเตรียมสารประกอบเชิงซ้อนคาร์บอกซีเมทิลไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสอีเทอร์ที่มีปฏิกิริยาสม่ำเสมอ ความหนืดสูง ทนต่อกรดและเกลือได้ดี ผ่านปฏิกิริยาอัลคาไลเซชันและอีเทอร์ริฟิเคชัน คาร์บอกซีเมทิลไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสที่ผลิตได้ด้วยกระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชันแบบขั้นตอนเดียวนี้ มีคุณสมบัติทนต่อเกลือ กรด และละลายได้ดี โดยการเปลี่ยนปริมาณสัมพัทธ์ของโพรพิลีนออกไซด์และกรดคลอโรอะซิติก สามารถเตรียมผลิตภัณฑ์ที่มีปริมาณคาร์บอกซีเมทิลและไฮดรอกซีโพรพิลแตกต่างกันได้ ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าคาร์บอกซีเมทิลไฮดรอกซีโพรพิลเซลลูโลสที่ผลิตด้วยวิธีขั้นตอนเดียวนี้ มีวงจรการผลิตสั้น ใช้ตัวทำละลายในปริมาณน้อย และผลิตภัณฑ์มีคุณสมบัติทนต่อเกลือโมโนวาเลนต์และไดวาเลนต์ได้ดีเยี่ยม รวมถึงทนต่อกรดได้ดีด้วย

05. แนวโน้มการดัดแปลงเซลลูโลสด้วยกระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชัน

เซลลูโลสเป็นสารเคมีและวัตถุดิบทางเคมีที่สำคัญ มีทรัพยากรมากมาย เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ อนุพันธ์ของการดัดแปลงเซลลูโลสด้วยกระบวนการอีเทอร์ริฟิเคชันมีประสิทธิภาพดีเยี่ยม มีการใช้งานที่หลากหลาย และให้ผลลัพธ์ที่ดีเยี่ยม ตอบสนองความต้องการของเศรษฐกิจของประเทศและความต้องการของการพัฒนาสังคมได้เป็นอย่างมาก ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องและการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในอนาคต หากวัตถุดิบสังเคราะห์และวิธีการสังเคราะห์อนุพันธ์ของเซลลูโลสสามารถพัฒนาให้เป็นอุตสาหกรรมมากขึ้น จะทำให้สามารถใช้ประโยชน์ได้อย่างเต็มที่และมีขอบเขตการใช้งานที่กว้างขึ้น