纤维素醋酯化催化剂的探讨及其应用

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随着社会的进步,高分子材料在日常生活中的使用量越来越多,由于它们的生物不可降解性或降解需要很长的时间,给环境造成了不可忽视的负面影响。人们迫切需要寻找新的高分子材料,天然高分子材料因具有“取之不尽,用之不竭”的可循环再生的特点,正受到越来越多的关注,这方面的开发和应用也层出不穷。纤维素与纤维素纤维作为填料或增强材料的研究利用逐渐引起人们的兴趣,它与热塑性聚合物的复合更是当前高分子复合材料领域中的关注的焦点。但由于它们的亲水性,导致跟亲油性的树脂不相容,降低了复合材料的机械性能。那么对纤维素或纤维素纤维的改性也就成为人们的研究热点。本文以木浆作为纤维素原料,以冰醋酸为分散剂,醋酸酐为酰化剂,浓硫酸、对甲基苯磺酸和十二烷基苯磺酸为催化剂,制备了一系列的纤维素醋酸酯。通过红外测试,在1750 cm-1、1375 cm-1和1240cm-1处附近出现对应醋酸酯的特征峰,3500cm-1附近的对应羟基伸缩振动的吸收峰随着取代度的增加而显著减弱,在1750 cm-1附近对应的羰基伸缩振动的吸收峰随着取代度的增加而明显增大,说明纤维素结构中确实引人了醋酸酯基团,根据这些特征,对比浓硫酸、对甲苯磺酸催化反应后的产物的红外谱图得到十二烷基苯磺酸可以作为纤维素醋酯化反应的催化剂。本文采用测产物取代度的方法对纤维素醋酸酯的反应动力学进行了研究,讨论了对甲苯磺酸和十二烷基苯磺酸的催化反应机理,建立了准一级反应动力学方程,求得两种情况下的反应活化能分别为93.8kJ/mol(十二烷基苯磺酸)和63.1kJ/mol(对甲基苯磺酸)。研究了十二烷基苯磺酸作为催化剂时,反应时间、反应温度、醋酐与纤维素的质量比和催化剂浓度对取代度和产率的影响。发现反应时间、反应温度、醋酐与纤维素的质量比和催化剂浓度的提高,其取代度DS也增大,但产率也就随着降低。通过正交分析研究确定了在以醋酸酐为酰化剂,冰乙酸为分散介质,十二烷基苯磺酸为催化剂制备纤维素醋酸酯的最佳工艺条件为温度为50℃,时间为3小时,醋酐与纤维素的质量比为3:1,催化剂浓度为0.034mol/L。最后探讨了催化剂在淀粉醋酯化的应用。IR分析表明十二烷基苯磺酸可以作为淀粉酯化的催化剂,而淀粉醋酸酯和纯淀粉的结构差异随着取代度的增加而增大。浓硫酸、对甲基苯磺酸、十二烷基苯磺酸三种催化剂可以提高淀粉酯化反应的活性。但是从产物的产率来看,三种催化剂随着分子链越长,产物的回收率越高,也就是对淀粉的降解越小。分子链越长的磺酸类催化剂可能氧化淀粉的能力变小,有待进一步的研究。通过改变条件,得到不同取代度的淀粉醋酸酯。研究了各反应条件对产物取代度的影响,得到的结果与纤维素一致,随着反应时间、反应温度、醋酐与纤维素的质量比和催化剂浓度的提高,其取代度DS也增大。
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