Введение к работе
Актуальность проблемы. Важным приоритетным направлением современной науки и техники являются нанотехнологии. Одним их наноструктурированных природных материалов является целлюлоза, в обычном состоянии входящая в состав природных растительных волокон. Путем физико-химических, химических или механических воздействий растительные волокна можно превратить в порошковые материалы, например, в микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ), которую, в свою очередь, можно превратить в гелеобразные дисперсные системы с размерами частиц порядка 40-400 им.
Главным этапом на пути получения микрочастиц является превращение волокон целлюлозы в порошок. Для этого применяют различные методы деструкции целлюлозы, чаще всего гидролитические и окислительно-гидролитические. Эти методы имеют существенные недостатки, в частности, длительность процесса, сопряженная со значительными расходами чистой воды, и необходимость глубокой очистки сточных вод. Одной из актуальных проблем современного производства и перспективным направлением технологии ближайшего будущего является разработка безводных технологий на основе применения высокоэффективных каталитических систем и органических растворителей, которые при этом подвергаются регенерации. Катализаторами деструкции целлюлозы являются кислоты Льюиса. Некоторые из них уже были использованы при деструкции хлопковой целлюлозы, однако до настоящего времени не были известны аналогичные работы, выполненные на древесных технических целлюлозах. Поскольку доступность древесного сырья в России и его стоимость существенно (на порядок) меньше, чем хлопковой, то исследование деструкции древесной целлюлозы под действием кислот Льюиса, представляется весьма актуальным, как с научной, так и с прикладной стороны.
Работа выполнена в соответствии с планами НИР Института химии Коми НЦ УрО РАН по темам: «Исследование редокс-превращений и процессов каталитической деструкции растительных полимеров, разработка физико-химических основ экологически безопасных технологий» (№ ГР 01.2.00 102725) и «Структурная организация и физико-химические свойства природных полисахаридов и лигнина - перспективных биополимеров для создания новых материалов растителыюго происхождения» (№ ГР 0120.0 604258); Проекта фундаментальных исследований, выполняемых по Программе Президиума РАН «Моделирование и структурно-химическая модификация полимеров и оли-гомеров растительного происхождения. Создание гибридных композиционных материалов на основе полиэфиров и субмикро- и наиодисперсных компонентов».
Цель работы: изучить структуру и свойства новых порошковых материалов, полученных в результате деструкции лиственной сульфатной целлюлозы кислотами Льюиса.
Задачи исследования:
получить новые порошковые целлюлозные материалы путем деструкции лиственной сульфатной целлюлозы кислотами Льюиса;
установить взаимосвязь условий обработки лиственной сульфатной целлюлозы кислотами Льюиса AlClj и ТІСЦ в ССЦ. С6НН и С^Н^ОН, и глубины ее деструкции:
исследовать кинетику процесса деструкции лиственной сульфатной целлюлозы при воздействии на нее тетрахлорида титана;
изучить функциональный состав и электроповерхностные свойства порошковой целлюлозы;
исследовать структурные особенности порошковых целлюлозных материалов методами рентгеноаифрактометрии и ИК спектроскопии.
Научная новизна. Впервые на основе древесного технического сырья получены порошковые материалы путем деструкции лиственной сульфатной целлюлозы кислотами Льюиса - галогенидамн алюминия и титана в среде безводных растворителей. Уста-
мовлена взаимосвязь условий обработки целлюлозы кислотами Льюиса, глубины ее деструкции, физико-химических и химических свойств полученных целлюлозных материалов и изменения их надмолекулярной структуры. Изучена кинетика процесса деструкции лиственной сульфатной целлюлозы под действием тетрахлорида титана в гексане, рассчитаны К3ф. установлено значение эффективной энергии активации (Еэф.= Ъ\&±2$кДж/моль).
Практическая ценность работы. На основе лиственной сульфатной целлюлозы под действием кислот Льюиса получены новые порошковые целлюлозные материалы и данные об их физико-химических свойствах. Показана более высокая активность в реакции сульфатирования порошковой целлюлозы, полученной в результате «мягкого» воздействия на целлюлозу ТіСЦ, по сравнению с реакционной способностью микрокристаллической целлюлозы. Высокозамещенные сульфат-производные на основе порошковой целлюлозы представляют интерес в качестве антикоагулянтов и иммуномодуля-торов, использование которых широко востребовано в биохимии и медицине.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следующих конференциях и симпозиумах: II региональная конференция «Роль инноваций в экономике уральского региона» (Екатеринбург, март 2000); II Республиканская научно-практическая конференция «Интеграция высшего образования и фундаментальной науки в Республике Коми» (Сыктывкар, декабрь 2000); IV Всероссийская научная конференция «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, июнь 2006); XXV Всероссийский симпозиум по химической кинетике (Москва, март 2007); III Всероссийская конференция «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, апрель 2007); XI Международная конференция «Эфиры целлюлозы и крахмала: синтез, свойства, применение» (Владимир, май 2007); Международная конференция по химической технологии и Всероссийский симпозиум по химии и технологии экстракции (Москва, июнь 2007); Всероссийская конференция с международным участием «Каталитические технологии защиты окружающей среды для промышленности и транспорта», (С-Петербург, декабрь 2007); V Всероссийская конференция - школа «Химия и технология растительных веществ» (Уфа, июнь 2008).
Основные положения, выносимые на защиту:
влияние условий обработки лиственной сульфатной целлюлозы кислотами Льюиса на свойсгва порошковых целлюлозных материалов;
кинетические закономерности процесса деструкции лиственной сульфатной целлюлозы при воздействии на нее кислот Льюиса;
структурные особенности порошковой целлюлозы, полученной с применением кислот Льюиса
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей (в т.ч. 4 - в журналах, рекомендованных ВАК), тезисы 12 докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 32 таблицы. 56 рисунков, состоит из введения, обзора литературы, методической и экспериментальной частей, обсуждения результатов и выводов. Список цитируемой литературы содержит 165 наименований.
Автор выражает благодарность за помощь в выполнении инструментальных исследований сотрудникам Института Химии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар (Ипатова В.У.. Бугаева А.Ю.); Института Биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар (Пунегов В.В.); Петрозаводского ГУ. Петрозаводск (Алешина Л.А.. Мелех Н.В.).
