羧甲基纖維素的合成及材料力學(xué)性能的測試實(shí)驗(yàn)

化學(xué)化工學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：羧甲基纖維素的合成年級：2011級材料化學(xué)日期:2013-11-07姓名：張靜學(xué)號：222011316210023同組人：廖丹_、預(yù)習(xí)部分一1、羧甲基纖維素又稱羧甲基纖維素鈉，是纖維素的羧甲基團(tuán)取代產(chǎn)物。2、物理性質(zhì)羧甲基纖維素鈉（CMC）屬陰離子型纖維素醚類，外觀為白色或微黃色絮狀纖維粉末或白色粉末，無臭無味，無毒；易溶于冷水或熱水，形成具有一定粘度的透明溶液。溶液為中性或微堿性，不溶于乙醇、乙醚、異丙醇、丙酮等有機(jī)溶劑，可溶于含水60%的乙醇或丙酮溶液。有吸濕性，對光熱穩(wěn)定，粘度隨溫度升高而降低，溶液在PH值2?10穩(wěn)定，？日低于2，有固體析出，PH值高于10粘度降低。變色溫度227°C，炭化溫度252°C，2%水溶液表面張力71mn/n。3、化學(xué)性質(zhì)由羧甲基取代基的纖維素衍生物，用氫氧化鈉處理纖維素形成堿纖維素，再與一氯醋酸反應(yīng)制得。構(gòu)成纖維素的葡萄糖單位有3個可被置換的羥基，因此可獲得不同置換度的產(chǎn)品。平均每1g干重導(dǎo)入1mmol羧甲基者，在水及稀酸中不溶解，但能膨潤，用于離子交換層析。羧甲基pKa在純水中約為4，在0.5mol/LNaCl中約為3.5，是弱酸性陽離子交換劑，通常于PH4以上用于中性和堿性蛋白質(zhì)的分離。40%以上羥基為羧甲基置換者可溶于水形成穩(wěn)定的高黏度膠體溶液。適合于飲料方面加工4、主要用途羧甲基纖維素（CMC）為無毒無味的白色絮狀粉末，性能穩(wěn)定，易溶于水，其水溶液為中性或堿性透明粘稠液體，可溶于其它水溶性膠及樹脂，不溶于乙醇等有機(jī)溶劑。CMC可作為粘合劑、增稠劑、懸浮劑、乳化劑、分散劑、穩(wěn)定劑、上漿劑等。羧甲基纖維素鈉（CMC）是纖維素醚類中產(chǎn)量最大的、用途最廣、使用最為方便的產(chǎn)品，俗稱為〃工業(yè)味精〃。（1）用于石油、天然氣的鉆探、掘井等工程含CMC的泥漿能使井壁形成薄而堅(jiān)，滲透性低的濾餅，使失水量降低。在泥漿中加入CMC后，能使鉆機(jī)得到低的初切力，使泥漿易于放出裹在里面的氣體，同時把碎物很快棄于泥坑中。鉆井泥漿和其它懸浮分散體一樣，具有一定的存在期，加入CMC后能使它穩(wěn)定而延長存在期。含有CMC的泥漿，很少受霉菌影響，因此，毋須維持很高的PH值，也不必使用防腐劑。含CMC作鉆井泥漿洗井液處理劑，可抗各種可溶性鹽類的污染。含CMC的泥漿，穩(wěn)定性良好，即使溫度在150°C以上仍能降低失水。高粘度、高取代度的CMC適用于密度較小的泥漿，低粘度高取代度的CMC適用于密度大的泥漿。選用CMC應(yīng)根據(jù)泥漿種類及地區(qū)、井深等不同條件來決定。（2）用于紡織、印染工業(yè)紡織行業(yè)將CMC作為上漿劑，用于棉、絲毛、化學(xué)纖維、混紡等強(qiáng)物的輕紗上漿；（3）用于造紙工業(yè)CMC在造紙工業(yè)中可作紙面平滑劑、施膠劑。在紙漿中加入0.1%?0.3%的CMC能使紙張?jiān)鰪?qiáng)抗張力40%?50%，抗壓破裂度增加50%，揉性增大4?5倍。（4）CMC加入合成洗滌劑中可作為污垢吸附劑；日用化學(xué)如牙膏工業(yè)CMC的甘油水溶液用作牙膏的膠基；醫(yī)藥工業(yè)用作增稠劑和乳化劑；CMC水溶液增粘后用作浮游選礦等。（5）用于陶瓷工業(yè)中可做毛坯的膠粘劑、可塑劑、釉藥的懸浮劑、固色劑等。（6）用于建筑，提高保水性和強(qiáng)度（7）用于食品工業(yè)，食品工業(yè)采用高置換度CMC作冰淇淋、罐頭、速煮面的增稠劑、啤酒的泡沫穩(wěn)定劑等，在加工果醬、糖汁、果子露、點(diǎn)心、冰淇淋飲料等做為增稠劑、粘結(jié)劑或因形劑。（8）制藥業(yè)選用適當(dāng)黏度CMC作片劑的黏合劑、崩解劑，混懸劑的助懸劑等。二、實(shí)驗(yàn)部分（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饫w維素的化學(xué)改性、纖維素衍生物的種類及其應(yīng)用（二）實(shí)驗(yàn)原理天然纖維素由于分子間和分子內(nèi)存在很強(qiáng)的氫鍵作用，難以溶解和熔融，加工成型性能差，限制了它的使用。天然纖維素經(jīng)過化學(xué)改性以后，引入的基團(tuán)可以破壞這些氫鍵作用，使得纖維素衍生物能夠進(jìn)行紡絲、成膜和成型等加工工藝，因此在高分子工業(yè)發(fā)展初期占據(jù)非常重要的地位。纖維素的衍生物按取代基種類可以分為醚化纖維素（纖維素的羥基與鹵代烷或環(huán)氧化物等醚化試劑反應(yīng)而形成醚鍵）和酯化纖維素（纖維素的羥基與羧酸或無機(jī)酸反應(yīng)形成酯鍵）。羧甲基纖維素是一種醚化纖維素，它是經(jīng)氯乙酸和纖維素在堿存在下進(jìn)行反應(yīng)而制備的。由于氫鍵作用，纖維素分子有很強(qiáng)的結(jié)品能力，難以與小分子化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，直接反應(yīng)往往得到取代不均一的產(chǎn)品。通常纖維素需在低溫下用NaOH溶液進(jìn)行處理，破壞纖維素分子間和分子內(nèi)的氫鍵，使之轉(zhuǎn)變成反應(yīng)活性較高的堿纖維素，即纖維素與堿、水形成的絡(luò)合物。低溫處理有利于纖維素與堿結(jié)合，并可抑制纖維素的水解，堿纖維素的組成將影響到醚化反應(yīng)和醚化產(chǎn)物的性能。纖維素的吸堿過程并非是單純的物理吸附過程，葡萄糖單的羥基能與堿形成醇鹽。除堿液濃度和溫度外，某些添加劑也會影響到堿纖維素的形成，如低級脂肪醇的加入會增加纖維素的吸堿量。醚化劑與堿纖維素的反應(yīng)是多相反應(yīng)，醚化反應(yīng)取決于醚化劑在堿水溶液中的溶解和擴(kuò)散滲透速度，同時還存在纖維素降解和醚化劑水解等副反應(yīng)。碘代烷作為醚化劑，雖然反應(yīng)活性高，但是擴(kuò)散慢、溶解性能差；高級氯代烷也存在同樣問題。硫酸二甲酯溶解性好，但是反應(yīng)效率低，只能制備低取代的甲基纖維素。堿液濃度和堿纖維素的組成對醚化反應(yīng)有很大影響，原則上堿纖維素的堿量不應(yīng)超過活化纖維素羥基的必要量，盡可能降低纖維素的含水量也是必要的。醚化反應(yīng)結(jié)束后，用適量的酸中和未反應(yīng)的堿以終止反應(yīng)，經(jīng)分離、精制和干燥后得到所需產(chǎn)品。第一步:堿化：[C6H7O2(OH)3]n+nNaOH-[C6H7O2(OH)2ONa]n+nH2O第二步：醚化：[C6H7O2(OH)2ONa]n+nClCH2COONa一[C6H7O2(OH)2OCH2COONa]n+nNaCl羧甲基纖維素是一種聚電解質(zhì)，能夠溶于冷水和熱水中，廣泛應(yīng)用于涂料、食品、造紙和日化等領(lǐng)域?；瘜W(xué)試劑和儀器化學(xué)試劑：95%異丙醇，甲醇，氯乙酸，氫氧化鈉，微品纖維素或纖維素粉，鹽酸。反應(yīng)監(jiān)測：0.1mol/L標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液，0.1mol/L標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液，酚酞指示劑，AgNO3溶液，PH試紙。儀器設(shè)備：機(jī)械攪拌器，三口燒瓶，酸式滴定管，溫度計(jì)，錐形瓶，通氮裝置，研缽。（四）實(shí)驗(yàn)步驟纖維素的醚化:將10?20份95%異丙醇（40ml）和1.46份45%NaOH水溶液（5ml）加入到裝有機(jī)械攪拌器的三口燒瓶中，通人氮?dú)獠㈤_動攪拌，緩慢加入一份微品纖維素（3g）,于300C劇烈攪拌40min作業(yè)（具體時間以溶解實(shí)際情況為標(biāo)準(zhǔn)），即可完成纖維素的堿化。將氯乙酸溶于異丙醇中，配制成75%溶液，向三口燒瓶中加入1.14份（3.9ml）該溶液。充分混合后，升溫至75C反應(yīng)40min,。冷卻至室溫，用10%的稀鹽酸中和PH為4,用甲醇反復(fù)洗滌除去無機(jī)鹽和未反應(yīng)的氯乙酸。干燥，稱重。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一）產(chǎn)品為4.18g微黃色白色固體，如下圖：（二）分析1、在制備過程中，有一些反應(yīng)物被攪拌到三頸瓶上方，未能進(jìn)行后期反應(yīng)，是最后產(chǎn)物有損失。2、對羧甲基纖維素（CMC）的純度影響較大者依次為醚化溫度、醚化時間，其次是堿化時間和堿化溫度，因?yàn)樵贑MC制備過程中，氯乙酸與堿纖維素間的醚化反應(yīng)是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，分為醚化初期、中期和后期三個階段，包括氯乙酸與堿的中和反應(yīng)、氯乙酸鈉纖維素的親核取代反應(yīng)。前者是放熱反應(yīng)，后者需要給予能量使氯乙酸鈉與堿纖維素反應(yīng)生成醚。所以該過程溫度的控制和時間的選擇就成為了影響時間結(jié)果的關(guān)鍵因素。1、纖維素中葡萄糖單元有三個羥基，哪一個最容易與堿形成醇鹽？堿濃度過大對纖維素醚化反應(yīng)有何影響？答：與亞甲基相連的那個羥基最容易與堿形成醇鹽。葡萄糖單元中的羥基與堿反應(yīng)可看作酸堿反應(yīng)，而伯醇的酸性最強(qiáng)，所以最易于堿發(fā)生反應(yīng)生成醇鹽。氫氧化鈉含量的影響直接影響醚化反應(yīng)及利用率，氫氧化鈉含量高，使反應(yīng)速度增加，反應(yīng)均勻性也獲得一定的改善，產(chǎn)品透明度較好，但過高的氫氧化鈉含量促使副反應(yīng)增多，醚化劑利用率下降。反應(yīng)體系為堿性，水的存在會使氯乙酸發(fā)生水解副反應(yīng)：aCH2COOH-2NaOHHOCH2C?ONa-NaCl-H20QCH2COONa一NaOHHOCHOONa一NaGaCH<OONa『H^OHOCH^COOH『NaCl

體系中的游離堿含量越多，副反應(yīng)就越多。2.二級和三級氯代烴為什么不能作為纖維素的醚化劑？答：雖然二級和三級氯代烴參與醚化反應(yīng)的反應(yīng)活性高，但是其擴(kuò)散慢，溶解性能差，使得反應(yīng)效率很低，所以不用做醚化劑。化學(xué)化工學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱：高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的測定年級：2011級材料化學(xué)日期:2013-11-07姓名：張靜學(xué)號：222011316210023同組人：廖丹一、預(yù)習(xí)部分1、應(yīng)力一應(yīng)變曲線拉伸實(shí)驗(yàn)是最常用的一種力學(xué)實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)測定的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以得出評價材料性能的屈服強(qiáng)度，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率等表征參數(shù)，不同的高聚物、不同的測定條件，測得的應(yīng)力一應(yīng)變曲線是不同的。應(yīng)變/%

應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，即:P

bdI-1b——ox100%E=—式中a應(yīng)力，MPa；￡應(yīng)變，%;E應(yīng)變/%應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，即:P

bdI-1b——ox100%E=—的為斷裂點(diǎn)，D點(diǎn)所對應(yīng)力角斷裂應(yīng)力或斷裂強(qiáng)度聚合物在溫度小于Tg（非品態(tài)）下拉伸時，典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（冷拉曲線）如下圖CD應(yīng)力應(yīng)T應(yīng)力應(yīng)T力玻璃態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線曲線分以下幾個部分：OA：應(yīng)力與應(yīng)變基本成正比（虎克彈性）。一彈性形變屈服點(diǎn)B：應(yīng)力極大值的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即屈服應(yīng)力（sy）；屈服應(yīng)力是結(jié)構(gòu)材料使用的最大應(yīng)力。一屈服成頸BC：出現(xiàn)屈服點(diǎn)之后，應(yīng)力下降階段一應(yīng)變軟化CD：細(xì)頸的發(fā)展，應(yīng)力不變，應(yīng)變保持一定的伸長一發(fā)展大形變DE：試樣均勻拉伸，應(yīng)力增大，直到材料斷裂。斷裂時的應(yīng)力稱斷裂強(qiáng)度（sb），相應(yīng)的應(yīng)變稱為斷裂伸長率（eb）—應(yīng)變硬化通常把屈服后產(chǎn)生的形變稱為屈服形變，該形變在斷裂前移去外力，無法復(fù)原。但如果將試樣溫度升到其Tg附近，形變又可完全復(fù)原，因此它在本質(zhì)上仍屬高彈形變，并非粘流形變，是由高分子的鏈段運(yùn)動所引起的。根據(jù)材料的力學(xué)性能及其應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征，可將應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為六類：材料硬而脆：在較大應(yīng)力作用下，材料僅發(fā)生較小的應(yīng)變，在屈服點(diǎn)之前發(fā)生斷裂，有高模量和抗張強(qiáng)度，但受力呈脆性斷裂，沖擊強(qiáng)度較差。材料硬而強(qiáng)：在較大應(yīng)力作用下，材料發(fā)生較小的應(yīng)變，在屈服點(diǎn)附近斷裂，具高模量和抗張強(qiáng)度。材料強(qiáng)而韌：具高模量和抗張強(qiáng)度，斷裂伸長率較大，材料受力時，屬韌性斷裂。材料軟而韌：模量低，屈服強(qiáng)度低，斷裂伸長率大，斷裂強(qiáng)度較高，可用于要求形變較大的材料。材料軟而弱：模量低，屈服強(qiáng)度低，中等斷裂伸長率。如未硫化的天然橡膠。材料弱而脆：一般為低聚物，不能直接用做材料。注意：材料的強(qiáng)與弱從bb比較；硬與軟從EM/e)比較；脆與韌則主要從斷裂伸長率比較。屈服區(qū)⑵延伸區(qū)⑶增強(qiáng)區(qū)3、影響高聚物機(jī)械強(qiáng)度的因素大分子鏈的主價鏈，分子間力以及高分子鏈的柔性等，是決定高聚物機(jī)械強(qiáng)度的主要內(nèi)在因素。混料及塑化不均，會產(chǎn)生細(xì)紋、凹陷、真空泡等形式留在制品表面或內(nèi)層。環(huán)境溫度、濕度及拉伸速度等對機(jī)械強(qiáng)度有著非常重要的影響。4、由于不同的高分子材料，在結(jié)構(gòu)上不同，表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀也不同日前大致可歸納成5種類型的特點(diǎn)是軟而弱。拉伸強(qiáng)度低，彈性模量小，且伸長率也不大，如溶脹的凝膠等。

的特點(diǎn)是硬而脆。拉伸強(qiáng)度和彈性模量較大，斷裂伸長率小，如聚苯乙烯等。的特點(diǎn)是硬而強(qiáng)。拉伸強(qiáng)度和彈性模量大，且有適當(dāng)?shù)纳扉L率，如硬聚氯乙烯等。的特點(diǎn)是軟而韌。斷裂伸長率大，拉伸強(qiáng)度也較高，但彈性模量低，如天然橡膠、順丁橡膠等。的特點(diǎn)是硬而韌。彈性模量大、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率也大，如聚對苯二甲酸乙二醇酯、尼龍等。(d)二、實(shí)驗(yàn)部分(一)實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?、目的要求熟悉拉力機(jī)(包括電子拉力機(jī))的使用；測定不同拉伸速度下PE板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；掌握圖解法求算聚合物材料抗張強(qiáng)度、斷裂伸長率和彈性模

(d)量；二、實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)通常實(shí)在張力下進(jìn)行，即將試樣等速拉伸，并同時測定試樣所受的應(yīng)力和形變值，直至試樣斷裂。應(yīng)力是試樣單位面積上所受到的力，可按下式計(jì)算：P

b=tbd式中P為最大載荷、斷裂負(fù)荷、屈服負(fù)荷b為試樣寬度，m；d為試樣厚度，m。應(yīng)變是試樣受力后發(fā)生的相對變形，可按下式計(jì)算：￡=上LX100%

tI

0式中I0為試樣原始標(biāo)線距離，m；I為試樣斷裂時標(biāo)線距離，m。bE=—￡應(yīng)力-應(yīng)變曲線是從曲線的初始直線部分，按下式計(jì)算彈性模量E（MPa，bE=—￡式中。為應(yīng)力；￡為應(yīng)變。在等速拉伸時，無定形高聚物的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖15-1：圖15-1圖15-1無定形高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線a點(diǎn)為彈性極限，氣為彈性（比例）極限強(qiáng)度，￡為彈性極限伸長率。由0到a點(diǎn)為一直線，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系遵循虎克定律o=E￡,直線斜率E稱為彈性（楊氏模量）。y點(diǎn)為屈服點(diǎn)，對應(yīng)的。和￡稱為屈服強(qiáng)度和屈服伸長氯。材料屈服后可在t點(diǎn)處斷裂，。；￡t為材料的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率。（材料的斷裂強(qiáng)度可大于或小于屈服強(qiáng)度，

視不同材料而定）從ot的大小，可以判斷材料的強(qiáng)與弱，而從％的大?。◤那€面積的大?。┛梢耘袛嗖牧系拇嗯c韌。t晶態(tài)高聚物材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：在c點(diǎn)以后出現(xiàn)微晶的取向和熔解，然后沿力場方向重排或重結(jié)晶，故。稱重結(jié)晶強(qiáng)度。從宏觀上看，在c點(diǎn)材料出現(xiàn)細(xì)頸，隨拉伸的進(jìn)行：細(xì)頸不斷發(fā)展，到細(xì)頸發(fā)展完全后，應(yīng)力才繼續(xù)增大到t點(diǎn)斷裂。由于高聚物材料的力學(xué)試驗(yàn)受環(huán)境濕度和拉伸速度的影響，因此必須在廣泛的溫度和速度范圍內(nèi)進(jìn)行。工程上，一般是在規(guī)定的濕度、速度下進(jìn)行，以便比較。三、試樣要求試樣制備和外觀檢查。制成如圖15-3所示的啞鈴形的樣條，試樣表面應(yīng)光滑、平整，不應(yīng)有氣泡、雜質(zhì)、機(jī)械損傷等。圖8-3II型試樣L：總長170；C：平行部分長度55±0.5；b：平每組試樣不少于5個。四、試驗(yàn)條件：試驗(yàn)速度（空載）A:10mm/min+5mm/min;B:50mm/min+5mm/min;C:100mm/min+10mm/min或250mm/min+50mm/min。以100mm/min+10mm/min的速度試驗(yàn)，當(dāng)相對伸長率＜100時，用100mm/min+10mmn/min;相對伸長率＞100時，用250mm/min土50mm/min。（1）熱固性塑料、硬質(zhì)熱塑性塑料：用A速度。（2）伸長率較大的硬質(zhì)熱塑性塑料和半硬質(zhì)熱塑性塑料（如尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等）：用B速度。（3）軟板、片、薄膜：用C速度。測定模量時，速度為lmm/min~5mm/min,測變形準(zhǔn)確至0.01mm。五、試驗(yàn)設(shè)備：拉伸試驗(yàn)機(jī)或電子拉伸試驗(yàn)機(jī)（試驗(yàn)機(jī)示值應(yīng)從每級表盤滿刻度的10%?90%,但不小于試驗(yàn)機(jī)最大載荷的4%讀取，示值的誤差應(yīng)在土1%之內(nèi)）注：電子拉力試驗(yàn)機(jī)按有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。六、試驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)應(yīng)在一定的溫度（熱