Типовые схемы производства высокомолекулярных соединений. Производство целлюлозы и ее производных

После отбелки  и облагораживания получают целлюлозу  высокой чистоты, которая может  использоваться для химической переработки. Себестоимость такой целлюлозы очень высока, в связи с чем азотнокислый способ варки не получил широкого распространения.

Второй вариант  азотнокислого способа известен как способ Дельбай. Варка осуществляется с азотной кислотой при температуре 20° С в горизонтальных котлах, снабженных шнековыми питателями. Полученная масса в котле промывается, после чего обрабатывается 1%-ным раствором едкого натра с целью удаления следов азотной кислоты, а также растворения лигнина. С целью предотвращения повышения температуры котел снабжается специальным устройством для охлаждения. 
 
 

2.5 Производные целлюлозы

Возможность получения  разнообразных производных целлюлозы  определяется в первую очередь ее функциональным составом. С этой точки  зрения целлюлозу можно рассматривать как полимерный полиатомный спирт, в элементарных звеньях макромолекулы которого содержатся три гидроксильные группы: первичная - у шестого атома углерода и две вторичные - у второго и третьего атомов углерода. Элементарное звено макромолекулы целлюлозы находится в энергетически наиболее выгодной конформации кресла, в которой гидроксильные и гидроксиметильная группы расположены экваториально (то есть располагаются приблизительно в плоскости, образуемой вторым, третьим и пятым атомами углерода и атомом кислорода пиранозного цикла) и благодаря такому положению обладают высокой реакционной способностью в различных химических реакциях. Именно индивидуальные свойства гидроксильных групп позволяют в результате их химических превращений осуществить синтез простых и сложных эфиров целлюлозы, продуктов ее окисления.

 Реакции взаимодействия целлюлозы с различными окислителями (NaClO, KMnO4 , NO2 , HIO4 , H2O2) приводят к образованию производных, содержащих карбонильные и карбоксильные группы. При этом наибольший интерес представляет действие соединений, обеспечивающих преимущественное окисление определенных гидроксильных групп элементарного звена. К таким окислителям относится йодная кислота (метапериодат натрия) HIO4, при взаимодействии целлюлозы с которой происходит окисление вторичных гидроксильных групп элементарного звена до альдегидных, сопровождающееся разрывом связи между вторым и третьим атомами углерода элементарного звена.  
 

2.5.1 Сложные эфиры  как реагенты

Для получения  сложных эфиров в качестве этерифицирующих реагентов используют сильные кислоты (VIII), ангидриды (IX) и хлорангидриды кислот (X).

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nxHNO₃

[C₆H₇O₂(OH)₃- x(ONO₂)x]n + nxH₂O

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nx(RCO)₂O

[C₆H₇O₂(OH)₃- x(OOCR)x]n + nxRCOOH

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nxRCOCl

[C₆H₇O₂(OH)₃- x(OOCR)x]_n + nxHCl

2.5.2 Синтез простых  эфиров

При синтезе  простых эфиров целлюлозы в качестве О-алкилирующих реагентов могут  выступать алкилгалогениды (XI), диалкилсульфаты (XII) и соединения, содержащие напряженные  гетероциклы (XIII) или поляризованную двойную связь (XIV).

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nxRCl

[C₆H₇O₂(OH)₃ - x(OR)x]_n + nxHCl

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nxR₂SO₄

[C₆H₇O₂(OH)₃- x(OR)x]_n + nxROSO₃H

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nx

[C₆H₇O₂(OH)₃- x(OCH2CH2OH)x]_n

[C₆H₇O₂(OH)₃]_n + nx

[C₆H₇O₂(OH)₃- x(OCH2CH2CN)x]_n

Свойства сложных  и простых эфиров целлюлозы, во многом определяющие области их применения, зависят от большого числа факторов, из которых к числу основных следует отнести сравнительную реакционную способность гидроксильных групп и связанное с ней распределение заместителей между OH-группами элементарного звена, влияние структуры целлюлозы на степень замещения эфиров, характер распределения заместителей вдоль цепи, растворимость эфиров и другие их свойства.

 
3. ПРИМЕНЕНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ  В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ  АПК

3.1 Целлюлоза в бумажной промышленности

Техническая небеленая  целлюлоза пригодна для изготовления многих видов продукции — газетной и мешочной бумаги, тарного картона и др. Для получения высших сортов писчей и печатной бумаги, где требуется повышенная белизна, используют среднежесткую и мягкую целлюлозу, которую отбеливают химическими реагентами, например хлором, двуокисью хлора, гипохлоритом кальция или натрия, перекисью водорода.

3.2 Целлюлоза в текстильной  промышленности

Из целлюлозы  производят разнообразные искусственные  волокна - гидратцеллюлозные (вискозные волокна, медноаммиачное волокно).

Вискозные волокна, получаемые химической переработкой природной целлюлозы. В зависимости от назначения В. в. производят в виде текстильных и кордных нитей, а также штапельного волокна. Производство вискозных волокон складывается из следующих основных технологических операций: получения прядильного раствора (вискозы), формования нитей по мокрому методу, отделки и сушки (подробно о методах формования, отделки и сушки) Ткани из вискозного волокна легко окрашиваются в различные цвета, отличаются высокими гигиеническими свойствами (гигроскопичностью), что особенно важно для изделий народного потребления. Доступность исходного сырья и низкая стоимость химических реагентов, а также удовлетворительные текстильные свойства и широкие возможности модификации обеспечивают высокую экономичность производства вискозных волокон и их широкое распространение.

Недостатки вискозного волокна: большая потеря прочности  в мокром состоянии, лёгкая сминаемость, недостаточная устойчивость к трению и низкий модуль упругости, особенно в мокром состоянии. Эти недостатки могут быть устранены модификацией вискозного волокна. Модифицированным вискозным волокнам (например, полинозным волокнам) свойственны значительно более высокая прочность в сухом и мокром состоянии (потеря прочности в мокром состоянии составляет 20-25% против 40-50% у обычного вискозного волокна), большая износоустойчивость и повышенный модуль упругости. У извитых штапельных вискозных волокон устойчивее извитость, что упрощает производство из них пряжи в смеси с натуральными волокнами. Сминаемость вискозного волокна может быть уменьшена их последующей обработкой различными составами.

• 3.3 Целлюлоза в пищевой  промышленности

Целлюлоза (E-460) выступает как стабилизатор (вещество-текстуратор), а также как эмульгатор, препятствующий слеживанию и комкованию продуктов  питания. В справочной литературе упоминается как микрокристаллическая целлюлоза (МКЦ).

Микрокристаллическая  целлюлоза - порошкообразная не волокнистая модификация природной целлюлозы является пищевым ингредиентом, с помощью которого можно уменьшать калорийность пищи, не теряя при этом ее органолептические свойства. Микрокристаллическая  целлюлоза устраняет энергетическую избыточность диеты, что способствует нормализации обмена веществ, профилактике новообразований, снижению риска инфаркта миокарда и инсульта и т.д.  
Как пищевая добавка Микрокристаллическая целлюлоза применяется в:  
* Хлебобулочные и кондитерские изделия  
* Мороженое  
* Соусы  
* Низкокалорийные молочные продукты  
* Фильтрующий материал для продуктов  


3.4 Целлюлоза  как  лекарственный препарат

Микрокристаллическую  целлюлозу в виде белого сыпучего порошка применяют в качестве наполнителя при приготовлении таблеток лекарственных препаратов.

Интересна с  практической точки зрения зависимость  растворимости некоторых эфиров целлюлозы, например ацетилфталилцеллюлозы, от кислотности (щелочности) растворителя. Это свойство успешно используется в фармацевтической практике для создания покрытий для таблеток. Легкая растворимость этого эфира целлюлозы в ацетоне позволяет получить прозрачную достаточно прочную пленку, нерастворимую в кислой среде, но растворимую в водных растворах с pH>7. Эта пленка обеспечивает сохранение активности неустойчивых в кислой среде (в желудочном соке) лекарств и хорошее всасывание их в кишечнике, где поддерживается щелочная среда.

Синтетические гидроколлоиды (производные целлюлозы, хлопчатника или древесины - натриевая соль карбоксиметил-целлюлозы и некоторые другие препараты) широко используют в производстве зубных паст.

В состав зубных паст входят поверхностно-активные вещества, назначение которых придавать им пенящие свойства. В зависимости от вида и количества поверхностно-активных веществ пасты бывают пенящимися, слабопенящимися и непенящимися. Пенящиеся зубные пасты обладают повышенной очищающей способностью, они хорошо удаляют зубной налет, вымывают остатки пищи. 
Вкусовые и легкие антисептические качества зубных паст обусловливаются отдушками и различными эфирными маслами, входящими в их состав. 
В настоящее время в ассортименте средств гигиены за рубежом появились так называемые безабразивные зубные пасты, или гелеобразные. Эти прозрачные зубные пасты, окрашенные в яркие цвета (красный, синий, зеленый, желтый), на основе соединений окиси кремния обладают высокой пенообразующей способностью. В безабразивные зубные пасты хорошо вводятся различные лечебные добавки, так, например, фтор сохраняет свою активность в течение длительного периода времени и в широком температурном интервале. 


3.5 Применение производных  целлюлозы

Производные целлюлозы (главным образом эфиры) применяют  как загустители печатных красок, шлихтующие и аппретирующие препараты, стабилизаторы суспензий при изготовлении бездымного пороха и др. [2] 
 
 
 
 
 


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенная информация позволяет, я надеюсь, создать достаточно целостное представление о целлюлозе, ее получении и  основных типах  ее химических превращений. Особое внимание к целлюлозе как представителю класса природных высокомолекулярных соединений привлекают возможность ее воспроизводства в природных условиях в процессе фотосинтеза и разнообразие свойств и соответственно областей применения многочисленных производных целлюлозы, часть из которых была рассмотрена выше.

Однако сложившийся  на протяжении длительного периода  времени ассортимент производных  целлюлозы не исчерпывает всех возможностей, которые принципиально заложены в строении этого полимера. Только за последние десятилетия появилась большая группа материалов, при получении которых были реализованы различные подходы: термические превращения, синтез привитых сополимеров, образование пространственной структуры, что позволило создать углеродные и другие сорбционно-активные материалы, материалы медицинского назначения с пролонгированным эффектом действия лекарственных препаратов, волокна-биокатализаторы, содержащие иммобилизованные ферменты, повысить эластические характеристики текстильных материалов из целлюлозных волокон. На более отдаленную перспективу целлюлозу можно рассматривать как источник экологически чистого возобновляемого сырья для создания новых технологических процессов получения мономеров для синтетических полимеров. 


СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Роговин, З. А. Химия целлюлозы: Учебник / З. Я. Роговин - М.: Химия, 1972.

2. Никитин, Н.  И. Химия древесины и целлюлозы  / Н. И. Никитин  - М. - Л., 1962.

3. Целлюлоза  и ее производные / В. Л. Кретович // Основы биохимии растений - М., 1974.

4. Бушмелев, В.  А., Вольман Н. С. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Учебник/ В.А. Бушмелев, Н.С. Вольман, - М, 1974

5. Аким, Э. Л.  Технология обработки и переработки  целлюлозы, бумаги и картона/Э.  Л. Аким – Л., 1977

6. Капуцкий, Ф.Н., Юркштович, Т.Л. Лекарственные  препараты на основе производных  целлюлозы/Ф.Н Капуцкий, Т.Л. Юркштович  -  Минск, 1989.

7. Непенин, Н.Н., Непенин Ю.Н. Технология целлюлозы,  т.1, Технология сульфитной целлюлозы.  «Лесная промышленность», М., 1976. т.2. Производство сульфатной целлюлозы/ Н.Н. Непенин, Ю.Н. Непенин.-М.,1963

8. Бутко, Ю.Г., Современные методы приготовления  сульфитных варочных растворов/  Ю.Г. Бутко,  Ю.А. Пелевин//Лесная  промышленность. – 1970

9. Богомолов,  Б.Д. Химия древесины и основы химии высокомолекулярных соединений. «Лесная промышленность». М., 1972

10. Лигнин / Под.  ред. Сарканена К.В и Подвига  К.Х. «Лесная промышленность».  М., 1975

11. Вураско, А.В.  Комплексная технология получения  целлюлозных материалов из недревесного растительного сырья [Электронный ресурс]/А.В. Вураско, Б.Н. Дрикер, Е.А. Мозырева. – СПб, Россия,2006.-С. 13-14.