способ получения порошковой целлюлозы

Формула изобретения

Способ получения порошковой целлюлозы из целлюлозных материалов, включающий деструкцию путем воздействия на них растворов кислот Льюиса в органическом растворителе при перемешивании, с последующей отмывкой и сушкой целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве целлюлозного материала используют различные виды лигноцеллюлозных материалов, получаемых из древесных полуфабрикатов в процессе их переработки на целлюлозно-бумажных предприятиях, солому травянистых растений, макулатурное сырье, процесс деструкции осуществляют при низкой концентрации раствора кислоты Льюиса, с применением минимального количества органического растворителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения порошковой целлюлозы - тонкодисперсного целлюлозного материала - с повышенной химической реакционной способностью и может быть использовано в аналитической химии, косметической и фармацевтической промышленности, технике, для модификации целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов и при получении их производных для специальных целей.

Известен способ деструкции хлопковой целлюлозы 0,1-1,0% раствором кислоты Льюиса при 20-76°C в органическом растворителе при жидкостном модуле 1:100 с последующими промывкой и сушкой целевого продукта [а.с. СССР 507584, опубл. 25.03.76, бюл. 11]. К недостаткам способа следует отнести большой расход органических растворителей при сравнительно малой навеске целлюлозы (большой жидкостной модуль).

Наиболее близким к описываемому по технической сущности является способ получения порошкообразной целлюлозы из хлопкового волокна обработкой 0,1-1,0%-ными растворами кислот Льюиса в нейтральных или протонодонорных растворителях и подвергнутой термообработке при 70-100°C в течение 1-3 ч, с дальнейшей промывкой и сушкой целевого продукта [а.с. СССР 730692, опубл. 30.04.80, бюл. 16]. К недостаткам данного способа относится использование для деструкции целлюлозы дорогостоящего ценного растительного сырья - хлопка (или медицинской ваты), целлюлозные волокна которого имеют наибольшую молекулярную массу по сравнению с целлюлозой, получаемой из других видов растительного сырья. Массовая доля -целлюлозы в хлопке достигает 99%, что приводит к его высокой механической прочности, химической и термической стойкости, и, соответственно, - низкой реакционной способности. Для проведения глубокой деструкции хлопковой целлюлозы, имеющей большой размер макромолекулы, помимо высокого соотношения «кислота Льюиса:целлюлоза» необходимы продолжительное время термообработки (до 180 мин).

Макромолекулы древесной и травянистой целлюлозы, в силу их меньшей длины, легче подвергаются деструкции, чем макромолекулы целлюлозы хлопка, что позволяет получать конечный продукт в более щадящих условиях.

Использование древесного либо травянистого сырья, а также вторичного (макулатурного) сырья для получения порошковой целлюлозы позволяет существенно удешевить процесс деструкции и придать целлюлозному материалу новые свойства благодаря наличию в нем наряду с целлюлозой сопутствующих веществ, важнейшим из которых является лигнин. Порошковая целлюлоза из лигноцеллюлозного материала отличается повышенной химической реакционной способностью, что является приоритетной характеристикой для ряда отраслей промышленности.

В качестве источника лигноцеллюлозных материалов целесообразно применять различные виды древесных полуфабрикатов, производимых в результате основного технологического процесса переработки древесного сырья на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности: химико-термомеханическую (ХТММ), термомеханическую (ТММ) и др. виды древесной массы, а также некондиционную целлюлозу лиственных и хвойных пород древесины; травянистый сырьевой материал, а именно: солому злаковых культур; макулатурную массу.

Задачей изобретения является получение порошковой целлюлозы путем воздействия кислот Льюиса на лигноцеллюлозный материал из древесного, травянистого сырьевого материала, а именно соломы злаковых культур, макулатурной массы, с применением минимального количества органических растворителей и отличающийся от исходного сырья повышенной химической реакционной способностью, что актуально, например, в реакциях этерификации.

Предлагаемый способ позволяет получать порошковую целлюлозу с повышенной реакционной способностью из лигноцеллюлозных материалов, получаемых в результате основного технологического процесса переработки древесного сырья на целлюлозно-бумажных предприятиях (не подвергая его предварительной дополнительной активации и сохранением большей части лигнинной составляющей); из травянистого сырьевого материала, а именно соломы злаковых культур;

макулатурной массы. В этом состоит технический результат.

Технический результат достигается тем, что способ получения порошковой целлюлозы из целлюлозных материалов, включающий деструкцию путем воздействия на них растворов кислот Льюиса с применением органического растворителя при перемешивании и последующей отмывкой и сушкой целевого продукта, согласно изобретению, в качестве целлюлозного материала используют различные виды лигноцеллюлозных материалов, получаемых из древесных полуфабрикатов в процессе их переработки на целлюлозно-бумажных предприятиях, солому травянистых растений, макулатурное сырье, процесс деструкции осуществляют при низкой концентрации раствора кислоты Льюиса с применением минимального количества органического растворителя.

Предложенный способ осуществляется следующим образом.

Для установления оптимальных условий получения порошковой целлюлозы варьируют величину концентрации и вид кислоты Льюиса в различных органических растворителях, жидкостной модуль, температуру и продолжительность обработки лигноцеллюлозного материала деструктирующим раствором, интенсивность перемешивания, а также условия сушки получаемого продукта деструкции (см. табл.1).

Пример 1. Навеску воздушно-сухой целлюлозы из хвойных пород древесины массой 2,500 г (масса абсолютно сухого образца составляет 2,405 г) с начальной СП_ср 1310, содержанием лигнина 5,7% заливают 50 см³ свежеприготовленного раствора TiCl ₄ в гексане с концентрацией 18,0 ммоль/дм³ (жидкостной модуль 21:1) и выдерживают при температуре 20°C и перемешивании в течение 10 мин. Затем целлюлозу (в виде порошка) переносят на стеклянный фильтр, отжимают, промывают гексаном, инклюдируют этанолом и высушивают.

Продукт деструкции - тонкодисперсный порошок бежевого цвета, без запаха, отличается сыпучестью без дополнительного размола. СП_ср=260, содержание лигнина 3,7%.

Пример 2. Навеску воздушно-сухой целлюлозы из лиственных пород древесины массой 1,65 г с начальной СП _ср 580, содержанием лигнина 0,6% заливают 100 см³ свежеприготовленного раствора AlCl₃ в тетрахлорметане с концентрацией 3,5 ммоль/дм³ (жидкостной модуль 25:1) и выдерживают 30 мин при температуре 77°C.

Высушивание готового образца проводят при различных температурных условиях: одну часть оставляют на воздухе при температуре 22°C (продукт деструкции - коротковолокнистая целлюлоза бежевого цвета, СП=340), другую часть помещают в закрытом бюксе в сушильный шкаф при температуре 100°C на 60 мин (продукт деструкции - тонкодисперсный порошок светло-бежевого цвета, СП=140).

Пример 3. Навеску воздушно-сухого образца ХТММ массой 3,239 г (масса абсолютно сухого образца составляет 2,999 г), содержанием лигнина 31,2% заливают 60 см³ свежеприготовленного раствора TiCl₄ в гексане с концентрацией 33,3 ммоль/дм ³ (жидкостной модуль 19:1) и выдерживают при температуре 68°C в течение 30 мин. Затем продукт (в виде порошка) переносят на стеклянный фильтр, отжимают, промывают гексаном, инклюдируют этанолом и высушивают.

Продукт деструкции - тонкодисперсный порошок темно-бежевого цвета, без запаха, отличается сыпучестью без дополнительного размола. СП_ср=150 (выделенной целлюлозы по Кюршнеру), содержание лигнина 27,4%.

Пример 4. Навеску воздушно-сухого образца газетной бумаги облагороженной массой 0,155 г (коэффициент сухости 0,95%), содержанием лигнина 22,9% заливают свежеприготовленным раствором TiCl₄ в гексане с концентрацией 36,0 ммоль/дм³ и выдерживают при температуре 23,5°C в течение 30 мин. Затем продукт (в виде порошка) переносят на стеклянный фильтр, отжимают, промывают гексаном, инклюдируют этанолом и высушивают.

Продукт деструкции - тонкодисперсный порошок серо-бежевого цвета, без запаха, отличается сыпучестью без дополнительного размола. СП _ср=270.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать тонкодисперсную порошковую целлюлозу, отличающуюся низким значением степени полимеризации (60÷290) и повышенной химической реакционной способностью из древесного, травянистого лигноцеллюлозных материалов, а также макулатурного сырья, используя низкие концентрации растворов кислоты Льюиса (начиная от 0,35 ммоль/дм³) и применяя минимальные количества органического растворителя.

Таблица 1
Исходная целлюлоза	Концентрация кислоты Льюиса в растворителе, ммоль/дм3	, мин	Температура	Порошковая целлюлоза
Вид целлюлозы, значение СП	Содержание лигнина (по Комарову), %	обработки, °C	сушки, °C	СП	Содержание лигнина(по Комарову), %
Лиственная целлюлоза СП 580	0,6	1,7 TiCl 4 в гексане	10	69	23	240	-
0,6	0,87 TiCl4 в гексане	60	69	23	190	-
0,6	3,5 АlCl3 в ССl4	60	76	100	60	-
0,6	0,55 АlСl3 в ССl4	60	76	20	310	-
0,6	8,2 TiCl4 в ССl4	30	76	20	170	-
0,6	10,2 АlСl3 в С2Н5ОН	60	78	100	110	-
0,6	50,9 AlBr3 в С2Н5ОН	60	78	20	240	-
Хвойная целлюлоза, СП 1240	3,5	18,0 TiCl 4 в гексане	5	69	100	290	2,4
3,5	190 BF3·OEt 2 в C2H5OH	30	78	20	160	2,7
Хвойная целлюлоза, СП 1310	5,7	18,0 TiCl 4 в гексане	10	20	20	260	3,7
5,7	18,0 TiCl4 в гексане	2	20	20	270	3,7
Солома овса	22,5	3,5 AlСl3 в ССl4	60	76	23	290	18,0
ХТММ	31,2	33,3 TiCl4 в гексане	30	69	23	150	27,4
ТММ	31,9	33,3 TiCl4 в гексане	30	69	23	170	29,0
Газетная бумага облаг. СП 800	22,9	36,0 TiCl 4 в гексане	30	23,5	20	270	21,0

Таблица 2
Функциональный состав порошковых целлюлоз
Метод обработки	Продолжительность деструкции, мин	СП	Функциональный состав
Содержание карбонильных групп, %	Содержание карбоксильных групп, %
Исходное сырье	0	540	0,02	0,22
Гидролиз НСl	120	230	0,08	0,11
Гидролиз H2SO4	120	240	0,05	0,15
TiCl4 -С6Н14	5	350	0,10	0,28
ТiCl4 -С6Н14	15	280	0,13	0,44
TiCl4 -C6H14	60	130	0,18	0,82
TiCl4 -CCl4	5	320	0,21	-
TiCl4 -CCl4	15	145	0,29	-
TiCl4 -CCl4	60	220	0,25	-
АlСl3 -CCl4	15	145	0,06	-
АlСl3 -CCl4	30	130	0,08	-
АlСl3 -CCl4	45	90	0,11	-
АlСl3 -CCl4	120	60	0,47	-