Целлюлоза после химической обработки используется в различных областях: автомобильной, кожевенной, косметической промышленности, изготовлении лаков, краски, эмали и грунтовки. Для этих целей традиционно использовали хлопковую и древесную «мягкую» (с низким содержанием лигнина) целлюлозу. Но производить первую невыгодно, а вторую прекратили изготавливать еще во времена распада СССР, поэтому теперь привозят из-за границы. Сегодня в нашей стране активно изготавливают древесную «жесткую» целлюлозу для бумаги и картона. Ученые Пермского Политеха предложили способ обработки, после которой такое сырье можно будет применять и в химическом производстве. Это поможет решить проблему импортозамещения.
В ПНИПУ придумали способ сделать целлюлозу мягче / © Anne Nygård, unsplash.com
Статья опубликована в журнале «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации» за 2024 год. Исследование проведено в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Целлюлоза — это основной компонент клеточных стенок растений, который состоит из длинных цепочек, образованных молекулами глюкозы, и является самым распространенным полимером в природе. Она составляет около 50% массы древесины и входит в состав многих волокнистых растительных объектов.
Нитрование – отдельный вид обработки азотной кислотой, благодаря которой целлюлоза приобретает строго определенные специфические свойства. Для нитрования применяется волокнистый материал, который отличается высоким содержанием альфа-целлюлозы (длинные молекулы). Чем выше процент этого компонента, тем меньше примесей и больше химическая чистота сырья. Такую целлюлозу после химической обработки можно использовать в космической (ракетное топливо), пластмассовой промышленности, кинопроизводстве (кинопленка) и так далее.
Сегодня в России из древесины вырабатывается только «жесткая» целлюлоза с высоким выходом и большой долей лигнина (6–7%) – вещества, которое склеивает волокна в древесине. Его надо удалять, так как оно затрудняет процесс химической переработки и ухудшает качество продукта. Если убрать большое количество лигнина, получится «мягкое» волокнистое сырье, однако его выхода будет меньше, то есть выработка «жесткой» целлюлозы экономически выгоднее и целесообразнее.
В отличие от хлопковой и «мягкой» древесной целлюлозы, для производства бумаги «жесткая» может содержать в себе различные примеси. А вот чтобы использовать ее для нитрования, потребуется тщательная обработка химическими реагентами в несколько стадий – отбелка и облагораживание. Ранее никто не пробовал использовать ее в таких целях.
Обычно для отбелки применяют молекулярный хлор и гипохлориты, которые загрязняют окружающую среду, а также озон и кислород, которые требуют сложного оборудования. Ученые Пермского Политеха создали новую технологию отбелки древесной целлюлозы. Она экологически безопаснее традиционных способов и позволяет применять стандартную «бумажную» целлюлозу для химической переработки.
– Наш метод предполагает использование всего двух окислительных реагентов: пероксида водорода и хлорита натрия. Они не только обладают меньшей токсичностью, чем типичные, но и позволяют максимально очистить «жесткую» целлюлозу для использования в химических целях. Чтобы проверить нашу схему отбелки, мы использовали в исследованиях «мягкую» (с массовой долей лигнина около 1,5%) лабораторного приготовления и «жесткую» (лигнина около 6%) промышленную еловую целлюлозу, – рассказывает Ольга Носкова, доцент кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ, кандидат технических наук.
– По стандартам чтобы сырье подходило для химической обработки, массовая доля альфа-целлюлозы должна быть не менее 92%, а вязкость 1%-ного раствора целлюлозы – от 30 до 55 миллипаскаль на секунду. После отбелки «жесткого» типа получили первый показатель в 92,6%, а второй – в 50,1 мПа. Соответственно, из «необычной» целлюлозы для химической переработки по нашей технологии удалось получить продукт с показателями качества согласно требованиям к целлюлозе для нитрования и не уступающий по качеству хлопковой целлюлозе. Это значит, что ее можно использовать для изготовления ракетного топлива и прочих ресурсов промышленности, – комментирует Фирдавес Хакимова, профессор кафедры «Технология полимерных материалов и порохов» ПНИПУ.
В результате из «жесткой» целлюлозы получены образцы беленой и облагороженной целлюлозы, по качеству аналогичные целлюлозе для нитрования. Исследование ученых Пермского Политеха будет полезно для изготовления нитрированной целлюлозы, которая находит применение как в производственных и народно-хозяйственных целях, так и в оборонной промышленности.
