Регистрация / Вход
Прислать материал

Технология модифицирования древесной целлюлозы

ФИО: Михалева М.Г.

Направление: Современные материалы и технологии их создания (У.М.Н.И.К.)

Научный руководитель: д.ф.-м.н. Стовбун С.В.

Институт: Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН

Академическая группа: аспирантка

Целью проекта является: на основе биофизических моделей разработать и внедрить в производство технологию модифицирования древесной целлюлозы с целью доведения ее до качества, соответствующего ГОСТам для хлопковой целлюлозы.

Целлюлоза, объемы годового производства которой составляют порядка 200 млн тонн является наиболее важным и востребованным природным биополимером. Основными потребителями целлюлозы являются бумажная и химическая промышленность, перерабатывающая исходное сырьё в основном в различные эфиры целлюлозы, такие как нитраты или ацетаты. Наиболее удобным с технологической точки зрения и традиционным для химических производств целлюлозным сырьём является хлопковый линт (пух) и льняное волокно. В РФ хлопчатник не выращивают вовсе, а товарную целлюлозу древесного происхождения не только производят из собственного сырья, но и экспортируют. В то же время, товарная древесная целлюлоза не отвечает требованиям ГОСТ для этерификации, а соответствующие процессы этерификации не происходят эффективно. В связи с этим проблема изучения физико-химических механизмов процессов переработки древесной целлюлозы стоит достаточно остро.

Так, известно, что целлюлоза содержит компактные кристаллические области-нанофибриллы, которые образованы комплементарно упакованными спиралями макромолекул и, кроме того, сами также спирально закручены в микрофибриллы. Нанофибриллы связаны как низкомолекулярными целлюлозами и лигнином (связующим), так и нековалентными связями. Оценки показывают, что при степени замещения более-1,3-2 все поверхностные гидрооксильные группы в нанофибрилле оказываются пронитрованы. Экспериментально было показано, что этот процесс происходит за время менее 1 мин соответствует быстрой ветви кинетики нитрования. Также экспериментально было показано, что медленной фазе кинетики (до 30 мин) соответствует появление на дифрактограммах нового рефлекса, что указывает на образование новой решетки. По-видимому, из-за замещение внутренних протонов на объемную нитрогруппу в нанофибриле возникают существенные внутренние напряжения, которые и приводят к структурной перестройке. Очевидно что такие структурные перестройки в компактной фазе не возможны без возникновения свободного объёма за счет раскручивания соответствующих спиральных иерархий. В свою очередь, для раскручивание нанофибрилл необходимо либо удаление связующего лигнина и низкомолекулярных целлюлоз, либо увеличение их кулоновского расталкивания, либо уменьшения энергии Ван-дер-Ваальсового притяжения. Было показано, что последовательный учет действия связующей фазы, Ван-дер-Ваальсового притяжения и кулоновского и упругого расталкивания нанофибрилл хлопка, льна и древесной целлюлозы, имеющих диаметры 3–4, 5–6, 8–9 нм соответственно, позволяет объяснить как их известные особенности нитрования, так и впервые сформулировать научно обоснованные рекомендации технологии получения древесной и льняной целлюлозы отвечающей требованиям ГОСТ.

Исследования структурных особенностей целлюлозного волокна показали, что оно представляет собой хиральную иерархическую систему структурных уровней [3], в следствии чего, динамические параметры химических реакций, протекающих в процессе химической переработки целлюлозы, определяются не диффузионными процессами, а физико-химическими взаимодействиями между макромолекулами целлюлозы, что позволяет эффективно управлять технологическим процессом получения целлюлозы за счет её модифицирования на субмолекулярном и молекулярном уровнях.

Хлопок – основной источник получения целлюлоз, является импортным сырьем из Узбекистана, Таджикистана, Киргизстана и Казахстана. Увеличение его цены в 20 раз (по соотношению с 1987 годом) привело к неконкурентоспособности конечных продуктов из хлопковой целлюлозы.