تهیه هیدروکسی اتیل سلولز

هیدروکسی اتیل سلولز (HEC) یک پلیمر غیر یونی و محلول در آب است که از سلولز، پلیمر طبیعی موجود در دیواره سلولی گیاهان، مشتق شده است. به دلیل ضخیم کنندگی عالی، تشکیل فیلم و خواص رئولوژیکی بسیار در صنایع مختلف از جمله داروسازی، آرایشی، رنگ و چسب استفاده می شود. تهیه هیدروکسی اتیل سلولز شامل اتریفیکاسیون سلولز با اکسید اتیلن در شرایط قلیایی است. این فرآیند را می توان به چند مرحله کلیدی تقسیم کرد: تصفیه سلولز، قلیایی کردن، اتریفیکاسیون، خنثی سازی، شستشو و خشک کردن.

1. تصفیه سلولز
اولین مرحله در تهیه هیدروکسی اتیل سلولز، خالص سازی سلولز است که معمولاً از خمیر چوب یا الیاف پنبه تهیه می شود. سلولز خام حاوی ناخالصی هایی مانند لیگنین، همی سلولز و سایر مواد استخراجی است که باید حذف شوند تا سلولز با خلوص بالا و مناسب برای اصلاح شیمیایی به دست آید.

مراحل مربوطه:

پردازش مکانیکی: سلولز خام به منظور کاهش اندازه و افزایش سطح آن به صورت مکانیکی فرآوری می‌شود و عملیات شیمیایی بعدی را تسهیل می‌کند.
درمان شیمیایی: سلولز با مواد شیمیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH) و سولفیت سدیم (Na2SO3) برای تجزیه لیگنین و همی سلولز، و سپس شستشو و سفید کردن برای حذف ناخالصی‌های باقیمانده و به دست آوردن سلولز سفید و فیبری تصفیه می‌شود.

2. قلیایی شدن
سپس سلولز خالص شده قلیایی می شود تا برای واکنش اتریفیکاسیون فعال شود. این شامل درمان سلولز با محلول آبی هیدروکسید سدیم است.

واکنش:
سلولز+NaOH→سلولز قلیایی

رویه:

سلولز در آب معلق می شود و محلول هیدروکسید سدیم به آن اضافه می شود. غلظت NaOH معمولاً بین 10-30٪ است و واکنش در دمای بین 20-40 درجه سانتیگراد انجام می شود.
این مخلوط برای اطمینان از جذب یکنواخت قلیایی به هم زده می شود که منجر به تشکیل سلولز قلیایی می شود. این واسطه نسبت به اکسید اتیلن واکنش بیشتری دارد و فرآیند اتریفیکاسیون را تسهیل می کند.

3. اتریفیکاسیون
مرحله کلیدی در تهیه هیدروکسی اتیل سلولز، اتریفیکاسیون سلولز قلیایی با اکسید اتیلن است. این واکنش گروه های هیدروکسی اتیل (-CH2CH2OH) را به ستون فقرات سلولز وارد می کند و آن را محلول در آب می کند.

واکنش:
سلولز قلیایی + اتیلن اکسید → هیدروکسی اتیل سلولز + NaOH

رویه:

اکسید اتیلن به سلولز قلیایی، به صورت دسته ای یا پیوسته، اضافه می شود. واکنش معمولاً در راکتور اتوکلاو یا فشار انجام می شود.
شرایط واکنش، از جمله دما (50-100 درجه سانتی گراد) و فشار (1-5 اتمسفر)، به دقت کنترل می شود تا از جایگزینی بهینه گروه های هیدروکسی اتیل اطمینان حاصل شود. درجه جانشینی (DS) و جایگزینی مولی (MS) پارامترهای مهمی هستند که بر خواص محصول نهایی تأثیر می گذارند.

4. خنثی سازی
پس از واکنش اتریفیکاسیون، مخلوط حاوی هیدروکسی اتیل سلولز و هیدروکسید سدیم باقیمانده است. مرحله بعدی خنثی سازی است، جایی که قلیایی اضافی با استفاده از یک اسید، به طور معمول اسید استیک (CH3COOH) یا اسید هیدروکلریک (HCl) خنثی می شود.

واکنش: NaOH+HCl→NaCl+H2O

رویه:

اسید به آرامی تحت شرایط کنترل شده به مخلوط واکنش اضافه می شود تا از گرمای بیش از حد جلوگیری شود و از تخریب هیدروکسی اتیل سلولز جلوگیری شود.
سپس مخلوط خنثی شده تحت تنظیم pH قرار می گیرد تا اطمینان حاصل شود که در محدوده مورد نظر قرار دارد، معمولاً در حدود pH خنثی (6-8).
5. شستشو
پس از خنثی سازی، محصول باید شسته شود تا نمک ها و سایر محصولات جانبی از بین برود. این مرحله برای به دست آوردن هیدروکسی اتیل سلولز خالص بسیار مهم است.

رویه:

مخلوط واکنش با آب رقیق می شود و هیدروکسی اتیل سلولز با فیلتراسیون یا سانتریفیوژ جدا می شود.
هیدروکسی اتیل سلولز جدا شده به طور مکرر با آب دیونیزه شسته می شود تا نمک ها و ناخالصی های باقیمانده حذف شوند. فرآیند شستشو تا زمانی ادامه می یابد که آب شستشو به رسانایی مشخصی برسد که نشان دهنده حذف ناخالصی های محلول است.
6. خشک کردن
مرحله نهایی در تهیه هیدروکسی اتیل سلولز، خشک کردن است. این مرحله آب اضافی را حذف می کند و محصول خشک و پودری مناسب برای کاربردهای مختلف به دست می آید.

رویه:

هیدروکسی اتیل سلولز شسته شده روی سینی های خشک کن پخش می شود یا از طریق یک تونل خشک کن منتقل می شود. دمای خشک کردن به دقت کنترل می شود تا از تخریب حرارتی جلوگیری شود که معمولاً بین 50-80 درجه سانتیگراد متغیر است.
روش دیگر، خشک کردن اسپری می تواند برای خشک کردن سریع و کارآمد استفاده شود. در خشک کردن اسپری، محلول آبی هیدروکسی اتیل سلولز به قطرات ریز اتمیزه می شود و در جریان هوای گرم خشک می شود و در نتیجه پودر ریز به دست می آید.
سپس محصول خشک شده به اندازه ذرات مورد نظر آسیاب شده و برای نگهداری و توزیع بسته بندی می شود.
کنترل کیفیت و برنامه های کاربردی
در طول فرآیند آماده سازی، اقدامات کنترل کیفیت دقیق برای اطمینان از قوام و کیفیت هیدروکسی اتیل سلولز اجرا می شود. پارامترهای کلیدی مانند ویسکوزیته، درجه جایگزینی، میزان رطوبت و اندازه ذرات به طور منظم کنترل می شوند.

برنامه های کاربردی:

داروها: به عنوان یک عامل غلیظ کننده، چسباننده و تثبیت کننده در فرمولاسیون هایی مانند قرص ها، سوسپانسیون ها و پمادها استفاده می شود.
لوازم آرایشی: ویسکوزیته و بافت را برای محصولاتی مانند کرم ها، لوسیون ها و شامپوها فراهم می کند.
رنگ ها و پوشش ها: به عنوان یک غلیظ کننده و اصلاح کننده رئولوژی عمل می کند و خواص کاربردی و پایداری رنگ ها را بهبود می بخشد.
صنایع غذایی: به عنوان قوام دهنده، تثبیت کننده و امولسیفایر در محصولات غذایی مختلف عمل می کند.

تهیه هیدروکسی اتیل سلولز شامل یک سری فرآیندهای شیمیایی و مکانیکی کاملاً تعریف شده با هدف اصلاح سلولز برای معرفی گروه های هیدروکسی اتیل است. هر مرحله، از تصفیه سلولز تا خشک کردن، در تعیین کیفیت و عملکرد محصول نهایی بسیار مهم است. خواص چندمنظوره هیدروکسی اتیل سلولز آن را به یک عنصر ارزشمند در صنایع متعدد تبدیل می کند و اهمیت شیوه های دقیق تولید را برای برآوردن نیازهای خاص کاربردهای مختلف برجسته می کند.