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  作者：鄭曉敏

  羥乙基纖維素醚是一種以天然纖維素為原料，經過化學改性得到的一種水溶性高分子化合物，具有增稠、懸浮、分散、保水等杰出性能，廣泛應用于石油化工、建筑、水性涂料、日化等領域。

  制備羥乙基纖維素醚的主反應如下：

  可能發(fā)生的副反應如下：

  高取代度羥乙基纖維素250 HEC因水溶性佳，成膜保水性好，抗酶性能優(yōu)良，耐高溫性能卓越，具有較高的低剪切黏度和較低的高剪切黏度，因而應用范圍比普通取代度羥乙基纖維素更廣。

  早在2002年，國家經貿委投資與規(guī)劃司就將纖維素醚類產品作為我國新領域精細化工產品中的“雙高一優(yōu)”技術改造項目。但目前國內HEC技術發(fā)展水平仍停留在國外20世紀60、70年代的技術水平，高取代度250 HEC -直被國外大公司（主要由美國dows. co及hercules. co）壟斷經營。國內對于250 HEC的需求大約在10 000 t/a，海關數據顯示高取代度250 HEC 80%依賴進口，而且市場需求量以每年10%~15%的速度增長，因而研究250HEC的制備工藝具有重要經濟意義。

  筆者在500 L反應釜中，以精制棉纖維素為原料，87. 7%異丙醇一水溶液為溶劑，采用一步堿化部分中和分步醚化工藝制備出高取代度羥乙基纖維素250 HEC。通過正交試驗得到優(yōu)化的合成工藝條件，并對合成出來的羥乙基纖維素進行定性和定量分析，同時通過產品在乳膠漆方面的應用試驗檢驗產品應用性能。

1  實驗

1.1試劑

  異丙醇，純度99. 5%，工業(yè)級；NaOH，純度99.8 %，工業(yè)級；CH3COOH，純度99. 8%，工業(yè)級；環(huán)氧乙烷，純度99.9%，工業(yè)級；HI，57%，分析純；水，普通自來水；精制棉纖維素1000#，江蘇鎮(zhèn)江生產；DOWS HEC250型樣品為市場購得。

1.2反應設備

  500 L立式不銹鋼反應釜，耐壓4 MPa／cm2，雙螺帶攪拌槳，攪拌器為可調式，試驗中選擇轉速為80 r/min。

1.3測試設備

  質譜儀；色譜儀；紅外光譜儀。

1.4實驗方法

  將NaOH溶解于溶劑中并攪拌均勻，加入粉碎后的纖維素（過80目篩），常溫堿化th；加入一定量環(huán)氧乙烷，常溫醚化30 min后，升溫至50~ 75C醚化60 min；降至常溫并加入預定量的CH3COOH部分中和NaOH，然后加一定量環(huán)氧乙烷，再升溫至50~ 75℃醚化60 min，降溫至常溫下加入剩余量CH3COOH中和至中性，然后將產物與溶劑分離，洗滌，干燥，粉碎至60~ 80目后即得到成品。

  產品的MS分析依據ASTM  D4794 -03，即在180℃下用57 %的HI將樣品分解成碘乙烷，然后通過色譜分析和計算得出MS。采用紅外法和質譜分析進行定性。

2結果與分析

2.1工藝條件的選擇

由反應方程式可知，要提高環(huán)氧乙烷的反應效率，必須控制合適的堿量、水量和環(huán)氧乙烷加入量。以纖維素質量為1，為了得到最佳的工藝條件，對堿量、溶劑量和環(huán)氧乙烷量進行三因素三水平正交實驗，具體實驗如表1所示。

其中環(huán)氧乙烷反應效率的計算式為：

環(huán)氧乙烷反應效率=（參加主反應的環(huán)氧乙烷質量／加入環(huán)氧乙烷的總質量）×100%  (5)

  參加主反應的環(huán)氧乙烷的質量依據主反應方程式(1)由產物的MS反推得到，具體計算方法為：

  參加主反應的環(huán)氧乙烷質量= (44×MS)/165  (6)

各因素效應曲線圖如圖1所示。

  從圖1中可以得出，堿量和溶劑量對環(huán)氧乙烷的反應效率影響均是先增加后減小，有一個最高值。而環(huán)氧乙烷量對環(huán)氧乙烷反應效率的影響則是隨著環(huán)氧乙烷量的增加，反應效率降低。因此確定最佳工藝條件是：堿量為0.3，溶劑量為9，環(huán)氧乙烷量為1.0。

2.2產物表征

  依據最佳工藝條件進行重復試驗，選取其中編號0807的HEC樣品，測定其MS為2.34，DOWSHEC250型樣品的MS為2.40。對制備的HEC樣品和DOWS HEC250型樣品分別進行紅外光譜分析，如圖2、圖3所示。結果表明，他們的光譜圖一致。依據文獻可知，3 000—3 700 cm-1處為游離-OH伸縮振動峰，2 800—3 000 cm-l處為-CH：和-CH伸縮振動峰，1 650 cm-l為結晶水彎曲振動峰，1430 cm-1為-CH2彎曲振動峰，l 300—1 400 cm-1處為C-OH、-CH彎曲振動峰，1 000—1 200 cm-1處為C-O、-OH彎曲振動峰，1 100 cm-l處為C-C骨架振動峰，700~ 900 cm-1處為-CH面外彎曲振動和-CH2搖擺振動峰，400~ 700 cm-1處為羥基和氫鍵的彎曲振動。羥乙基的特征峰為3 000~3 700 cm-1處游離-OH寬厚特征峰，表明2個HEC樣品均有明顯的羥乙基特征峰。

  分別對研制的產品0807和DOWS HEC250進行CNMR檢測，研究纖維素葡萄糖環(huán)上C2、C3、C63個位置上的醚化反應情況及取代基團的分布情況，結果如表2所示。

  根據化學位移強度和MS，按文獻[2]所述計算方法計算產品的平均取代度DS，DS(0807 HEC)=1. 57，DS( DOWS HEC)=1.36。DS的高低意味著取代基分布的均勻程度，DS越大，取代基在不同碳位上的分布越均勻，產品的抗酶解性越好，產品的儲存性能越好。由DS計算結果可知，依據本工藝制備的HEC取代基分布均勻度優(yōu)于DOWS的HEC，表明本工藝制備的HEC取代基分布更均勻，抗酶解性更優(yōu)。

2.3產品在乳膠漆中的應用

  將本工藝制備的產品應用于乳膠漆生產，乳膠漆配方如表3所示。

  利用該產品制備出的乳膠漆在刮涂中表現(xiàn)出良好的流平性。將該乳膠漆涂于玻璃上，漆膜干后，用水沖刷，每次沖刷15 min，沖刷1 000次后，漆膜仍能保持平整，而且不脫落，表明該產品的成膜性能良好。將該產品的水溶液直接涂于玻璃上，刮平后，小顆粒的個數< 100個／Cm2，同樣證明了該產品具有良好的流平性，可用于高檔涂料的制作。

3結論

  (1)制備了取代度在2.2以上的高取代度HEC，以纖維素質量為1，最佳工藝條件為堿量為0.3，溶劑量為9，環(huán)氧乙烷量為1.0。

  (2)紅外和質譜分析證明該產品是羥乙基纖維素，同時表明該HEC產品取代基分布較為均勻。

  (3)產品用于乳膠漆，表現(xiàn)出較好的流平性和成膜性，可用于高檔涂料的制備。

(4)產品在其他行業(yè)中的應用性能有待進一步研究。

4摘要：在500 L反應釜中，以精制棉為原料，在500 L反應釜中，以87. 7%異丙醇一水為溶劑，采用一步堿化分步中和分步醚化工藝制備羥乙基纖維素( HEC)。通過色譜法測定所制備HEC的摩爾取代度MS。以纖維素質量為1，運用正交實驗設計對堿量、溶劑量、醚化劑加入量進行優(yōu)化，得到制備高取代度HEC最佳工藝條件為：堿量為0.3，溶劑量為9，環(huán)氧乙烷量為1.0。經紅外和13C質譜法對所得HEC進行定性分析，并與商品級Dows 250型HEC產品進行對比。結果表明，制備出的產品為羥乙基纖維素，取代度MS為2.2~2.9，達到與取代度為2.2~2.4的商品級Dows 250型HEC產品相同的質量標準。將該HEC用于乳膠漆的制作，對乳膠漆的成膜性、流平性均有改善作用。