В современных условиях рыночной экономики ввиду ограниченного объема традиционных источников высококачественной целлюлозы (хлопка и древесины), предназначенной для изготовления широкого спектра продуктов функционального назначения, в качестве первоочередной задачи стоит проблема поиска новых легковозобновляемых сырьевых источников, использование которых позволит сократить зависимость отечественных производителей от импорта.
Наиболее конкурентоспособным продуктом среди сложных эфиров целлюлозы являются нитраты целлюлозы (НЦ), которые успешно применяются как основа для твердого ракетного топлива и порохов для метательных зарядов ствольных систем.
Одним из перспективных источников высокоценной целлюлозы, предназначенной для последующей химической трансформации в НЦ, рассматривается мискантус гигантский. Данная промышленная культура представляет собой растение высотой до 3 м, размножается корневищами и характеризуется высокой продуктивностью. Помимо этого, Гигантеус не конкурирует за территорию с продовольственными культурами, способен расти на малоплодородных почвах и не требует особого ухода.
Характеристики технической целлюлозы, полученной из сырья мискантуса гигантского
В 2020 году в журнале Сибирского федерального университета "Химия" было опубликовано исследование Корчагиной А.А. и соавторов "Мискантус гигантский сорта "Камис" - новое сырье для нитратов целлюлозы". В представленной работе в качестве исходного сырья для получения ТЦ и ее дальнейшей трансформации в НЦ был использован мискантус гигантский.
Для получения образца ТЦ использовали все растение. Процесс азотнокислой варки проводили в лабораторных условиях путем последовательной обработки предварительно измельченного до размера частиц 10-15 мм исходного сырья разбавленными растворами азотной кислоты и гидроксида натрия. Согласно полученным данным, образец ТЦ из мискантуса гигантского характеризуется высокими значениями м.д. α-целлюлозы – 96 % и степени полимеризации – 1350, немного уступая по суммарному значению нецеллюлозных компонентов – 3,32 %, традиционно используемым для синтеза НЦ целлюлозам из хлопка и древесины.
Характеристики нитроцеллюлозы, синтезированной из технической целлюлозы мискантуса гигантского
Для получения НЦ образец ТЦ был предварительно высушен до влажности не более 5 %. Нитрование образца ТЦ проводили по общепринятому сернокислотному способу с использованием промышленно доступной серно-азотной кислотной смеси в следующих условиях: температура 25-30 °С, продолжительность 40 мин, модуль 1:25. По окончании процесса нитрования образец НЦ был отжат от адсорбированных кислот и промыт до нейтральной реакции промывных вод, после чего подвергнут высокотемпературной стабилизации в кислой, щелочной и нейтральной средах.
Синтезированный образец НЦ из ТЦ мискантуса гигантского по функциональным свойствам: м.д. азота – 11,26 % и растворимости в спиртоэфирной смеси – 95 % сопоставим со свойствами НЦ из мискантуса сахароцветкового сорта "Сорановский". По значению показателя вязкости – 52 мПа·с образец НЦ из ТЦ мискантуса гигантского превосходит НЦ, синтезированные из мискантуса сахароцветкового сорта"Сорановский". Помимо этого, было установлено, что полученный продукт нитрования с выходом 156 % имеет крайне низкое значение зольности,что является показателем высококачественных НЦ.
Морфологические особенности полученных образцов технической и нитроцеллюлозы
Методом РЭМ охарактеризованы морфологические особенности образцов ТЦ и НЦ из мискантуса гигантского.Обнаружено, что ТЦ, полученная из данного растения, представляет собой преимущественно смесь переплетенных в «пучок» неоднородных трубкообразных волокон, диаметр которых варьируется от от 10 мкм до 30 мкм. После обработки ТЦ серно-азотной кислотной смесью волокна НЦ сохраняют форму волокон исходной целлюлозы, однако трубкообразные волокна НЦ более однородны по диаметру (20-25 мкм).
Методом ИК-спектроскопии установлено соответствие образцов ТЦ из мискантуса гигантского (3411, 2913, 1637, 1429, 1369, 1317, 1161, 700-500 см-1) и НЦ (2553, 1642, 1276, 830, 746, 680 см-1) по основным функциональным группам целлюлозе и азотнокислым эфирам целлюлозы соответственно.
Методом дифференциальной сканирующей калориметрии показана высокая чистота синтезированного образца НЦ из ТЦ мискантуса гигантского (температура начала интенсивного разложения 199 °С; удельная теплота разложения 8,43 кДж/г).
Таким образом, экспериментально подтверждена эффективность применения нового вида нетрадиционного легковозобновляемого сырья — мискантуса гигантского — для синтеза высококачественных нитратов целлюлозы. Данное исследование открывает новые перспективы для устойчивого развития оборонной индустрии и других смежных отраслей, применяющих нитроцеллюлозу в своем производстве.
____________________________________________________________________________________
Данная статья написана на основе источника: Корчагина, А.А. Мискантус гигантский сорта «КАМИС» – новое сырье для нитратов целлюлозы / А.А. Корчагина, Ю.А. Гисматулина, В.В. Будаева, В.Н. Золотухин, Н.В. Бычин, Г.В. Сакович // Журн. Сиб. федер. унта. Химия, 2020. 13(4). С. 565–577. DOI: 10.17516/1998-2836-0206
Если вам понравилась статья, не забудьте поставить 👍 и подписаться на наш канал ✅!
Наш сайт: https://misc.farm
Телефон: +7 (495) 177-89-89
Email: info@misc.farm
Мы в соцсетях:
Telegram: https://t.me/miscant
Одноклассники: https://ok.ru/group/70000007152054
Rutube: https://rutube.ru/channel/37881605/