Целлюлоза фото – Урок №49. Целлюлоза, ее строение и химические свойства. Применение целлюлозы. Ацетатное волокно.

0

Содержание

Целлюлоза — Википедия

Целлюло́за, клетчáтка (фр. cellulose от лат. cellula — «клетка») — органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n. Молекулы — неразветвлённые цепочки из остатков β-глюкозы, соединённых гликозидными связями β-(1→4). Белое твёрдое вещество, нерастворимое в воде. Главная составная часть клеточных оболочек всех высших растений.

Целлюлоза была обнаружена и описана французским химиком Ансельмом Пайеном в 1838 году.[2]

Целлюлоза представляет собой линейный гомополимер из сотен или десятков тысяч остатков D-глюкозы. Соединение фрагментов глюкозы обеспечивается β(1→4)-гликозидной связью. Такое соединение мономерных звеньев отличает целлюлозу от α(1→4)-гликозидных связей характерных для других гомополимеров глюкозы: крахмала и гликогена. В отличие от амилозы крахмала, молекулы которой сворачиваются в спираль, макромолекула целлюлозы склонна принимать вытянутую стержневую конформацию.

Целлюлоза — белое твёрдое, стойкое вещество, не разрушается при нагревании (до 200 °C). Является горючим веществом, температура воспламенения — 275 °С, температура самовоспламенения — 420 °С (хлопковая целлюлоза). В 2016 году экспериментально показано плавление целлюлозы при 467 °C.

[3]

Нерастворима в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей. Однако благодаря большому числу гидроксильных групп является гидрофильной (краевой угол смачивания составляет 20 — 30 градусов).[4]

Целлюлоза не имеет вкуса и запаха. Зарегистрирована в качестве пищевой добавки E460.

Целлюлоза подвергается биодеградации при участии многих микроорганизмов.

Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при гидролизе целлюлозы:

(C6H10O5)n + nH2O Biochem reaction arrow forward NNNN horiz med.svg nC6H12O6

Серная кислота с йодом, благодаря гидролизу, окрашивают целлюлозу в синий цвет.

При реакции с азотной кислотой образуется нитроцеллюлоза (тринитрат целлюлозы):

Nitrocellulose ru.svg

В процессе этерификации целлюлозы уксусной кислотой получается триацетат целлюлозы:

Cellulose acetate preparation etherification.svg

Целлюлозу крайне сложно растворить и подвергнуть дальнейшим химическим превращениям, однако в среде подходящего растворителя, например, в ионной жидкости, такой процесс можно осуществить эффективно.[5]

Промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных заводах, входящих в промышленные комплексы (комбинаты). По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:

  • Кислые:
  • Щелочные:
    • Натронный. Используется раствор гидроксида натрия. Натронным способом можно получать целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Преимущество данного метода — отсутствие неприятного запаха соединений серы, недостатки — высокая стоимость получаемой целлюлозы.
    • Сульфатный. Наиболее распространённый метод на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щёлоком. Своё название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. Недостатком его является выделение большого количества дурно пахнущих сернистых соединений: метилмеркаптана, диметилсульфида и др. в результате побочных реакций.

Получаемая после варки техническая целлюлоза содержит различные примеси: лигнин, гемицеллюлозы. Если целлюлоза предназначена для химической переработки (например, для получения искусственных волокон), то она подвергается облагораживанию — обработке холодным или горячим раствором щелочи для удаления гемицеллюлоз.

Для удаления остаточного лигнина и придания целлюлозе белизны проводится её отбелка. Традиционная для XX века хлорная отбелка включала в себя две ступени:

  • обработка хлором — для разрушения макромолекул лигнина;
  • обработка щелочью — для экстракции образовавшихся продуктов разрушения лигнина.

С 1970-х годов в практику вошла также отбелка озоном. В начале 1980-х годов появились сведения об образовании в процессе хлорной отбелки чрезвычайно опасных веществ — диоксинов. Это привело к необходимости замены хлора на другие реагенты. В настоящее время технологии отбелки подразделяются на:

Используется в качестве наполнителя в таблетках в фармацевтике. Целлюлозу и её эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха). Хлопок, состоящий большей частью из целлюлозы (до 99,5 %), идёт на изготовление тканей.

Древесная целлюлоза используется для производства бумаги, пластмасс, кино- и фотоплёнок, лаков, бездымного пороха и т. д.[6]

Целлюлоза является одним из основных компонентов клеточных стенок растений, хотя её содержание в различных клетках или даже частях стенки одной клетки сильно варьирует. Так, например, стенки клеток эндосперма злаков содержат всего около 2 % целлюлозы, в то же время хлопковые волокна, окружающие семена хлопчатника, состоят из целлюлозы более чем на 90 %. Клеточные стенки в области кончика удлинённых клеток, характеризующихся полярным ростом (пыльцевая трубка, корневой волосок), практически не содержат целлюлозы и состоят в основном из пектинов, в то время как базальные части этих клеток содержат значительные количества целлюлозы. Кроме того, содержание целлюлозы в клеточной стенке изменяется в ходе онтогенеза, обычно вторичные клеточные стенки содержат больше целлюлозы, чем первичные.

Организация и функция в клеточных стенках[править | править код]

Отдельные макромолекулы целлюлозы включают от 2 до 25 тысяч остатков D-глюкозы. Целлюлоза в клеточных стенках организована в микрофибриллы, представляющие собой паракристаллические ансамбли из нескольких отдельных макромолекул (у сосудистых растений около 36)[7], связанных между собой водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса.

Макромолекулы, находящиеся в одной плоскости и связанные между собой водородными связями, формируют лист в пределах микрофибриллы. Между собой листы макромолекул также связаны большим числом водородных связей. Хотя водородные связи довольно слабые, благодаря их большому количеству микрофибриллы целлюлозы обладают высокой механической прочностью и устойчивостью к действию ферментов.

Индивидуальные макромолекулы в микрофибрилле начинаются и заканчиваются в разных местах, поэтому длина микрофибриллы превышает длину отдельных макромолекул целлюлозы. Следует отметить, что макромолекулы в микрофибрилле ориентированы одинаково, то есть редуцирующие концы (концы со свободной, аномерной OH-группой при атоме C1) расположены с одной стороны.

Современные модели организации микрофибрилл целлюлозы предполагают, что в центральной области она имеет высокоорганизованную структуру, а к периферии расположение макромолекул становится более хаотичным. Так, в центре микрофибриллы высших растений располагается ядро из 24 молекул. Ещё 12 молекул расположены по периферии фибриллы. Теоретически диаметр такой микрофибриллы составляет 3,8 нм, однако, данные рентгеноструктурного анализа показывают, что это значение несколько меньше — 3,3 нм, что соответствуют 24 молекулам.[7] По-другим оценкам размеры фибрилл значительно больше: 5 — 9 нм в поперечном сечении (более 50 отдельных макромолекул).[8]

Между собой микрофибриллы связаны сшивочными гликанами (гемицеллюлозы) и, в меньшей степени, пектинами. Целлюлозные микрофибриллы, связанные сшивочными гликанами, формируют трёхмерную сеть, погружённую в гелеобразный матрикс из пектинов и обеспечивающую высокую прочность клеточных стенок.

Во вторичных клеточных стенках микрофибриллы могут быть ассоциированы в пучки, которые называют макрофибриллами. Подобная организация дополнительно увеличивает прочность клеточной стенки.

Биосинтез[править | править код]

Образование макромолекул целлюлозы клеточных стенок высших растений катализирует мультисубъединичный мембранный целлюлозосинтазный комплекс, расположенный на конце удлиняющихся микрофибрилл. Полный комплекс целлюлозосинтазы состоит из каталитической, поровой и кристаллизационной субъединиц. Каталитическая субъединица целлюлозосинтазы кодируется мультигенным семейством CesA (cellulose synthase A), которое входит в суперсемейство Csl (cellulose synthase-like), включающее также гены CslA, CslF, CslH и CslC, ответственные за синтез других полисахаридов.

При изучении поверхности плазмалеммы растительных клеток методом замораживания-скалывания в основании целлюлозных микрофибрилл можно наблюдать так называемые розетки или терминальные комплексы размером около 30 нм и состоящие из 6 субъединиц. Каждая такая субъединица розетки является в свою очередь суперкомплексом, образованным из 6 целлюлозосинтаз. Таким образом, в результате работы подобной розетки формируется микрофибрилла, содержащая на поперечном срезе около 36 макромолекул целлюлозы. У некоторых водорослей суперкомплексы синтеза целлюлозы организованы линейно.

Интересно, что роль затравки для начала синтеза целлюлозы играет гликозилированный ситостерин. Непосредственным субстратом для синтеза целлюлозы является UDP-глюкоза. За образование UDP-глюкозы отвечает сахарозосинтаза, ассоциированная с целлюлозосинтазой и осуществляющая реакцию:

Сахароза + UDP ⇌{\displaystyle \rightleftharpoons } UDP-глюкоза + D-фруктоза

Кроме того, UDP-глюкоза, может образовываться из пула гексозофосфатов в результате работы УДФ-глюкозопирофосфорилазы:

Глюкозо-1-фосфат + UTP ⇌{\displaystyle \rightleftharpoons } UDP-глюкоза + PPi

Направление синтеза микрофибрилл целлюлозы обеспечивается за счёт движения целлюлозосинтазных комплексов по микротрубочкам, прилежащим со внутренней стороны к плазмалемме. У модельного растения резуховидка Таля обнаружен белок CSI1, отвечающий за закрепление и движение целлюлозосинтазных комплексов по кортикальным микротрубочкам.

У млекопитающих (как и большинства других животных) нет ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Однако многие травоядные животные (например, жвачные) имеют в пищеварительном тракте бактерии-симбионты, которые расщепляют и помогают хозяевам усваивать этот полисахарид. Расщепление целлюлозы связано с действием в расщепляющих организмах фермента целлюлазы. Бактерии, расщепляющие целлюлозу, называемые целлюлозоразрушающими (англ. cellulolytic bacteria), это часто актинобактерии рода Cellulomonas, являющиеся факультативными анаэробами[9][10], аэробные бактерии рода Cellvibrio[11]. Однако, например, для бумажных книг они представляют опасность только при их намокании, когда кожа и клей начинают разрушаться гнилостными бактериями, а бумага и ткани — целлюлозоразрушающими[12]. Очень опасны для бумажных книг плесневые грибы, разрушающие целлюлозу. За три месяца они могут разрушить 10—60 % волокон бумаги, благоприятные условия для их развития — влага и воздух повышенной влажности, наиболее благоприятная температура — от 22 до 27 градусов Цельсия, они могут распространяться от поражённых ими книг на другие

[12]. Активно расщепляющие целлюлозу плесневые грибы — это, например, Chaetomium globosum, Stachybotrys echinata[13].

  1. 1 2 3 http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0110.html
  2. Никитин Н.И. Химия древесины и целлюлозы. — М.: Наука (издательство), 1962. — С. 427. — 713 с.
  3. Dauenhauer, Paul; Krumm, Christoph; Pfaendtner, Jim. Millisecond Pulsed Films Unify the Mechanisms of Cellulose Fragmentation (англ.) // Chemistry of Materials (англ.)русск. : journal. — 2016. — Vol. 28, no. 1. — P. 0001. — DOI:10.1021/acs.chemmater.6b00580.
  4. ↑ Vacuum deposition onto webs, films, and foils (англ.) / Bishop, Charles A.. — 2007. — P. 165. — ISBN 0-8155-1535-9.
  5. Ignatyev, Igor; Charlie Van Doorslaer, Pascal G.N. Mertens, Koen Binnemans, Dirk. E. de Vos. Synthesis of glucose esters from cellulose in ionic liquids (англ.) // Holzforschung : journal. — 2011. — Vol. 66, no. 4. — P. 417—425. — DOI:10.1515/hf.2011.161.
  6. Глинка Н.Л. Общая химия. — 22 изд., испр. — Ленинград: Химия, 1977. — 719 с.
  7. 1 2 Biochemistry & molecular biology of plants. — Second edition. — Chichester, West Sussex. — xv, 1264 pages с. — ISBN 9780470714225.
  8. Nobel, Park S. Physicochemical and environmental plant physiology. — 4th ed. — Amsterdam: Academic Press, 2009. — 1 online resource (xxi, 582 pages) с. — ISBN 9780123741431.
  9. Melissa R. Christopherson, et al. The Genome Sequences of Cellulomonas fimi and “Cellvibrio gilvus” Reveal the Cellulolytic Strategies of Two Facultative Anaerobes, Transfer of “Cellvibrio gilvus” to the Genus Cellulomonas, and Proposal of Cellulomonas gilvus sp. nov (англ.) : journal. — 2013. — DOI:10.1371/journal.pone.0053954.
  10. Muhammad Irfan, et al. Isolation and screening of cellulolytic bacteria from soil and optimization of cellulase production and activity (англ.) // Turkish Journal of Biochemistry : journal. — 2012. — Vol. 37, no. 3. — P. 287—293. — DOI:10.5505/tjb.2012.09709.
  11. Don J. Brenner, Noel R. Krieg, James R. Staley. Part B: The Gammaproteobacteria // Bergey's Manual of Systematic Bacteriology (болг.). — Springer Science & Business Media, 2007. — Т. 2. The Proteobacteria. — С. 402—403.
  12. 1 2 И. К. Белая. Гигиена и реставрация библиотечных фондов. — Рипол Классик, 2013. — С. 13—21.
  13. Brian Flannigan, Robert A. Samson, J. David Miller. Microorganisms in Home and Indoor Work Environments: Diversity, Health Impacts, Investigation and Control (англ.). — 2nd ed. — CRC Press, 2016. — P. 77.

Целлюлоза, свойства, получение и применение

Целлюлоза, свойства, получение и применение.

 

 

Целлюлоза – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n.

 

Целлюлоза, формула, строение, вещество, характеристика

Нахождение целлюлозы в природе

Физические свойства целлюлозы

Химические свойства целлюлозы. Химические реакции целлюлозы

Производство и получение целлюлозы: механический и химический методы

Применение целлюлозы

 

Целлюлоза, формула, строение, вещество, характеристика:

Целлюлоза, клетчатка (фр. cellulose от лат. cellula – «клетка») – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n.

Молекулы целлюлозы представляют собой неразветвлённые цепочки из остатков β-D-глюкозы, соединённых гликозидными (водородными) связями β-(1→4).

Химическая формула целлюлозы (C6H10O5)n либо [С6Н7О2(ОН)3]n.

Строение молекулы целлюлозы, структурная формула целлюлозы:

Формула целлюлозы

Молекула целлюлозы образована из множества (от нескольких сотен до десятков тысяч) остатков β-D-глюкозы, связанных между собой гликозидными (водородными) связями.

Молекула целлюлозы имеет линейное строение и склонна принимать вытянутую стержневую конформацию.

Так как макромолекула целлюлозы представляет собой смесь молекул (мономерных звеньев) с различной степенью полимеризации (т.е. числом мономерных звеньев в молекуле полимера), то она неоднородна по молекулярной массе. Целлюлоза из древесины имеет типичную длину цепи от 300 до 1700 единиц мономерных звеньев C6H10O5, хлопок и другие растительные волокна, а также бактериальная целлюлоза имеют длину цепи от 800 до 10 000 единиц звеньев C6H10O5.

Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5 составляет 162,1406 г/моль

Целлюлоза – это растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом. Целлюлоза является главной составляющей частью и структурным материалом оболочки растительной клетки.  Кроме целлюлозы в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим названием гемицеллюлозы (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.).

Внешне целлюлоза в чистом виде представляет собой белое твердое волокнистое вещество, без вкуса и запаха.

Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью.

Целлюлоза не растворяется в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей. Растворяется в некоторых растворителях, например, в водных смесях комплексных соединений гидроксидов переходных металлов (Сu, Cd, Ni) с NH3 и аминами, в серной и ортофосфорной кислотах, а также в аммиачном растворе гидроксида меди (II) – реактиве Швейцера.

Хорошо впитывает воду из-за наличия гидроксильных групп в своем составе.

Подвергается разложению при участии микроорганизмов и при действии ультрафиолетовых лучей.

Не разрушается при нагревании до 200 оС.

Различные виды целлюлозы (из различных растительных материалов) структурно неоднородны, т.к. расстояние между молекулами  или звеньями молекул целлюлозы, а также взаимное расположение этих молекул  могут быть различны. Соответственно изменяются прочностные связи между молекулами, а также физические и химические свойства различных видов целлюлозы. Свойства также зависят от количества звеньев в молекуле целлюлозы (т.е. от степени полимеризации). Например, чем больше расстояние между молекулами или звеньями молекул и чем меньше прочность связи между ними, тем больше гигроскопичность целлюлозы, ее окрашиваемость, более реакционноспособна в процессах этерификации, протекающих в кислой среде, и т.д. Целлюлоза со степенью полимеризации менее 1000 растворима в концентрированной ортофосфорной кислоте, а целлюлоза со степенью полимеризации ниже 200 – также и в 10-12 % растворе гидроксида натрия.

 

Нахождение целлюлозы в природе:

В чистом виде в природе не содержится.

Целлюлоза образуется в растениях (в т.ч. водорослях) в результате сложных биохимических реакций в процессе фотосинтеза из простейших углеводов. Она представляет собой составную часть оболочки клеток растений, обеспечивая механическую прочность и эластичность растительной ткани.

В большом количестве целлюлоза содержится в волокнах хлопка – 95-98 %, льна – 60-85 %, в тканях древесины – 40-55 %, в растительных остатках, попадающих в почву (листьях, стеблях и пр.), – 40-90 %, в соломе – до 30 %.

Целлюлоза также встречается у грибов и животных: у некоторых простейших и у оболочников (Tunicata). У последних она выделяется клетками наружных покровов и образует наружную оболочку, или тунику, животного.

Целлюлоза вырабатывается  также некоторыми бактериями, например, бактериями рода Acetobacter.

 

Физические свойства целлюлозы:

Наименование параметра: Значение:
Цвет белый
Запах без запаха
Вкус без вкуса
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.) твердое вещество
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см3 1,52-1,54
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м3 1520-1540
Температура разложения, °C 210
Температура плавления, °C 467
Температура кипения, °C
Температура воспламенения, °C 275
Температура самовоспламенения, °C 420
Удельная теплота сгорания, МДж/кг 16,40
Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5, г/моль 162,1406

 

Химические свойства целлюлозы. Химические реакции целлюлозы:

Из-за наличия трёх гидроксильных групп в каждом звене целлюлоза проявляет свойства многоатомных спиртов, поэтому для нее характерны все химические реакции, свойственные спиртам: образование простых и сложных эфиров органических и неорганических кислот, получение щелочной целлюлозы и др.

Основные химические реакции целлюлозы следующие:

1. гидролиз целлюлозы:

(C6H10O5)n    +   nH2O → nC6H12O6 (t°, H2SO4).

(целлюлоза)                      (глюкоза)

В результате реакции образуется глюкоза.

2. реакция нитрования целлюлозы (т.е. реакция целлюлозы с азотной кислотой).

3. реакция этерификации целлюлозы с уксусной кислотой.

4. реакция пиролиза целлюлозы:

При температуре выше 350 °C в отсутствии кислорода целлюлоза подвергается пиролизу (также называемому “термолизом”), разлагаясь на твердый уголь, пары, аэрозоли и газы, такие как углекислый газ и пр. продукты сложного строения.

5. реакция горения целлюлозы:

(C6H10O5)+ 6nO2 → 6nCO2 + 5nH2O (t°).

В результате реакции происходит полное окисление целлюлозы до углекислого газа и воды.

 

Производство и получение целлюлозы:

Поскольку в природе в чистом виде целлюлоза не содержится, а, как правило, образуется в растениях, то ее в основном получают из древесины. Производство (получение) целлюлозы является одним из этапов производства бумаги.

Содержание целлюлозы в древесине составляет порядка 40-55 %. Остальное  – гемицеллюлоза (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.) и лигнин. Лигнин (от лат. lignum – дерево, древесина) – это вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток, и представляющее собой смесь  ароматических полимеров родственного строения. На лигнин приходится от 18 до 24 % массы древесины лиственных пород и 23-50 % массы хвойных пород. Причем (лигнин) последний выполняет функцию связующего вещества между волокнами целлюлозы.

Если образно сравнить древесину с железобетоном, то получается, что волокна целлюлозы, обладающие высокой прочностью на растяжение, подобны арматуре в железобетоне, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, – бетону.

Гемицеллюлоза в древесине выполняет функцию укрепления волокон целлюлозе.  Она представляет собой растительные гомо- и гетерополисахариды с меньшей, чем у целлюлозы, молекулярной массой (10 000-40 000 г/моль), состоящие из остатков разных пентоз и гексоз.

Целлюлоза получается (выделяется) из древесины двумя методами: механическим и химическим. При любом методе получения целлюлозы древесина предварительно измельчается в щепу.

 

Механический метод получения целлюлозы:

При механическом методе получения целлюлозы древесную щепу, как правило, истирают или размалывают в водной среде в присутствии специальных реагентов. Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна. Затем волокна очищаются. Однако полностью лигнин из полученных волокон не удаляется, а остается на поверхности и внутри них, что сказывается на качестве полученной целлюлозы и в будущем – на получаемых бумажных листах.

Выход «механической» древесной массы получается достаточно высоким.

Бумажные листы из «механической» древесной массы имеют низкую плотность, высокую твердость и жесткость, а также цвет исходной древесины.

 

Химический метод получения целлюлозы:

Химический метод получения целлюлозы заключается в том, что древесную щепу помещают в кипящий раствор, где варят в  течении длительного времени.

По типу применяемых реагентов различают несколько способов варки древесной щепы:

сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например, гидросульфит натрия. Варка происходит при повышенной температуре и давлении. Этот способ варки применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты;

натронный. Используется раствор гидроксида натрия. Данным способом получают целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений;

сульфатный. Наиболее распространённый способ на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия. Данный способ  пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья.

В процессе варки получают техническую целлюлозу, которая выпадает в осадок, а лигнин взаимодействует с варочным раствором, в результате чего получаются различные химические вещества (кормовые дрожжи, сульфатный лигнин, сульфатное мыло, фитостерин, талловое масло, канифоль, сернистые соединения, метанол, скипидар и пр.).

Техническая целлюлоза для удаления гемицеллюлозы и облагораживания обрабатывается холодным или горячим раствором щелочи, а для удаления остаточного лигнина – хлором, озоном, кислородом, пероксидом водорода, после чего – щелочью. Процесс удаления лигнина также называется отбелкой целлюлозы и имеет цель придание ей белизны.

В итоге получается чистая целлюлоза. Общий объем получаемой химическим способом целлюлозы зависит от способа варки, а так же от вида древесины. Выход составляет от 40 до 65 %.

В отличие от целлюлозы, полученной механическим способом, целлюлоза, полученная химическим способом, имеет белый цвет, большую длину волокон, становится более гибкой.

 

Применение целлюлозы:

– для производства бумаги и картона,

– в качестве наполнителя в таблетках в фармацевтике,

– для получения искусственных волокон (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха),

– для изготовления тканей (хлопок, который большей частью состоит из целлюлозы – 95-98 %),

– для производства пластмасс, оргстекла, кино и фото пленок и пр.,

– для производства лаков,

– для производства порохов,

– для изготовления нитей, канатов,

– получение глюкозы, этилового спирта.

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 

Формула целлюлозыФормула целлюлозыФормула целлюлозыФормула целлюлозы

карта сайта

 

Коэффициент востребованности 3 996

Целлюлоза, свойства, получение и применение

Целлюлоза, свойства, получение и применение.

Ознакомиться с концепциейНовинки технологийФорумТаблица Менделеева

Целлюлоза – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n.

Целлюлоза, формула, строение, вещество, характеристика

Нахождение целлюлозы в природе

Физические свойства целлюлозы

Химические свойства целлюлозы. Химические реакции целлюлозы

Производство и получение целлюлозы: механический и химический методы

Применение целлюлозы

Целлюлоза, формула, строение, вещество, характеристика:

Целлюлоза, клетчатка (фр. cellulose от лат. cellula – «клетка») – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C6H10O5)n.

Молекулы целлюлозы представляют собой неразветвлённые цепочки из остатков β-D-глюкозы, соединённых гликозидными (водородными) связями β-(1→4).

Химическая формула целлюлозы (C6H10O5)n либо [С6Н7О2(ОН)3]n.

Строение молекулы целлюлозы, структурная формула целлюлозы:

Формула целлюлозы

Молекула целлюлозы образована из множества (от нескольких сотен до десятков тысяч) остатков β-D-глюкозы, связанных между собой гликозидными (водородными) связями.

Молекула целлюлозы имеет линейное строение и склонна принимать вытянутую стержневую конформацию.

Так как макромолекула целлюлозы представляет собой смесь молекул (мономерных звеньев) с различной степенью полимеризации (т.е. числом мономерных звеньев в молекуле полимера), то она неоднородна по молекулярной массе. Целлюлоза из древесины имеет типичную длину цепи от 300 до 1700 единиц мономерных звеньев C6H10O5, хлопок и другие растительные волокна, а также бактериальная целлюлоза имеют длину цепи от 800 до 10 000 единиц звеньев C6H10O5.

Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5 составляет 162,1406 г/моль

Целлюлоза – это растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом. Целлюлоза является главной составляющей частью и структурным материалом оболочки растительной клетки.  Кроме целлюлозы в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим названием гемицеллюлозы (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.).

Внешне целлюлоза в чистом виде представляет собой белое твердое волокнистое вещество, без вкуса и запаха.

Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью.

Целлюлоза не растворяется в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей. Растворяется в некоторых растворителях, например, в водных смесях комплексных соединений гидроксидов переходных металлов (Сu, Cd, Ni) с NH3 и аминами, в серной и ортофосфорной кислотах, а также в аммиачном растворе гидроксида меди (II) – реактиве Швейцера.

Хорошо впитывает воду из-за наличия гидроксильных групп в своем составе.

Подвергается разложению при участии микроорганизмов и при действии ультрафиолетовых лучей.

Не разрушается при нагревании до 200 оС.

Различные виды целлюлозы (из различных растительных материалов) структурно неоднородны, т.к. расстояние между молекулами  или звеньями молекул целлюлозы, а также взаимное расположение этих молекул  могут быть различны. Соответственно изменяются прочностные связи между молекулами, а также физические и химические свойства различных видов целлюлозы. Свойства также зависят от количества звеньев в молекуле целлюлозы (т.е. от степени полимеризации). Например, чем больше расстояние между молекулами или звеньями молекул и чем меньше прочность связи между ними, тем больше гигроскопичность целлюлозы, ее окрашиваемость, более реакционноспособна в процессах этерификации, протекающих в кислой среде, и т.д. Целлюлоза со степенью полимеризации менее 1000 растворима в концентрированной ортофосфорной кислоте, а целлюлоза со степенью полимеризации ниже 200 – также и в 10-12 % растворе гидроксида натрия.

Нахождение целлюлозы в природе:

В чистом виде в природе не содержится.

Целлюлоза образуется в растениях (в т.ч. водорослях) в результате сложных биохимических реакций в процессе фотосинтеза из простейших углеводов. Она представляет собой составную часть оболочки клеток растений, обеспечивая механическую прочность и эластичность растительной ткани.

В большом количестве целлюлоза содержится в волокнах хлопка – 95-98 %, льна – 60-85 %, в тканях древесины – 40-55 %, в растительных остатках, попадающих в почву (листьях, стеблях и пр.), – 40-90 %, в соломе – до 30 %.

Целлюлоза также встречается у грибов и животных: у некоторых простейших и у оболочников (Tunicata). У последних она выделяется клетками наружных покровов и образует наружную оболочку, или тунику, животного.

Целлюлоза вырабатывается  также некоторыми бактериями, например, бактериями рода Acetobacter.

Физические свойства целлюлозы:

Наименование параметра:Значение:
Цветбелый
Запахбез запаха
Вкусбез вкуса
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.)твердое вещество
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см31,52-1,54
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м31520-1540
Температура разложения, °C210
Температура плавления, °C467
Температура кипения, °C
Температура воспламенения, °C275
Температура самовоспламенения, °C420
Удельная теплота сгорания, МДж/кг16,40
Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5, г/моль162,1406

Химические свойства целлюлозы. Химические реакции целлюлозы:

Из-за наличия трёх гидроксильных групп в каждом звене целлюлоза проявляет свойства многоатомных спиртов, поэтому для нее характерны все химические реакции, свойственные спиртам: образование простых и сложных эфиров органических и неорганических кислот, получение щелочной целлюлозы и др.

Основные химические реакции целлюлозы следующие:

1. гидролиз целлюлозы:

(C6H10O5)n    +   nH2O → nC6H12O6 (t°, H2SO4).

(целлюлоза)                      (глюкоза)

В результате реакции образуется глюкоза.

2. реакция нитрования целлюлозы (т.е. реакция целлюлозы с азотной кислотой).

3. реакция этерификации целлюлозы с уксусной кислотой.

4. реакция пиролиза целлюлозы:

При температуре выше 350 °C в отсутствии кислорода целлюлоза подвергается пиролизу (также называемому “термолизом”), разлагаясь на твердый уголь, пары, аэрозоли и газы, такие как углекислый газ и пр. продукты сложного строения.

5. реакция горения целлюлозы:

(C6H10O5)+ 6nO2 → 6nCO2 + 5nH2O (t°).

В результате реакции происходит полное окисление целлюлозы до углекислого газа и воды.

Производство и получение целлюлозы:

Поскольку в природе в чистом виде целлюлоза не содержится, а, как правило, образуется в растениях, то ее в основном получают из древесины. Производство (получение) целлюлозы является одним из этапов производства бумаги.

Содержание целлюлозы в древесине составляет порядка 40-55 %. Остальное  – гемицеллюлоза (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.) и лигнин. Лигнин (от лат. lignum – дерево, древесина) – это вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток, и представляющее собой смесь  ароматических полимеров родственного строения. На лигнин приходится от 18 до 24 % массы древесины лиственных пород и 23-50 % массы хвойных пород. Причем (лигнин) последний выполняет функцию связующего вещества между волокнами целлюлозы.

Если образно сравнить древесину с железобетоном, то получается, что волокна целлюлозы, обладающие высокой прочностью на растяжение, подобны арматуре в железобетоне, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, – бетону.

Гемицеллюлоза в древесине выполняет функцию укрепления волокон целлюлозе.  Она представляет собой растительные гомо- и гетерополисахариды с меньшей, чем у целлюлозы, молекулярной массой (10 000-40 000 г/моль), состоящие из остатков разных пентоз и гексоз.

Целлюлоза получается (выделяется) из древесины двумя методами: механическим и химическим. При любом методе получения целлюлозы древесина предварительно измельчается в щепу.

Механический метод получения целлюлозы:

При механическом методе получения целлюлозы древесную щепу, как правило, истирают или размалывают в водной среде в присутствии специальных реагентов. Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна. Затем волокна очищаются. Однако полностью лигнин из полученных волокон не удаляется, а остается на поверхности и внутри них, что сказывается на качестве полученной целлюлозы и в будущем – на получаемых бумажных листах.

Выход «механической» древесной массы получается достаточно высоким.

Бумажные листы из «механической» древесной массы имеют низкую плотность, высокую твердость и жесткость, а также цвет исходной древесины.

Химический метод получения целлюлозы:

Химический метод получения целлюлозы заключается в том, что древесную щепу помещают в кипящий раствор, где варят в  течении длительного времени.

По типу применяемых реагентов различают несколько способов варки древесной щепы:

сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например, гидросульфит натрия. Варка происходит при повышенной температуре и давлении. Этот способ варки применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты;

натронный. Используется раствор гидроксида натрия. Данным способом получают целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений;

сульфатный. Наиболее распространённый способ на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия. Данный способ  пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья.

В процессе варки получают техническую целлюлозу, которая выпадает в осадок, а лигнин взаимодействует с варочным раствором, в результате чего получаются различные химические вещества (кормовые дрожжи, сульфатный лигнин, сульфатное мыло, фитостерин, талловое масло, канифоль, сернистые соединения, метанол, скипидар и пр.).

Техническая целлюлоза для удаления гемицеллюлозы и облагораживания обрабатывается холодным или горячим раствором щелочи, а для удаления остаточного лигнина – хлором, озоном, кислородом, пероксидом водорода, после чего – щелочью. Процесс удаления лигнина также называется отбелкой целлюлозы и имеет цель придание ей белизны.

В итоге получается чистая целлюлоза. Общий объем получаемой химическим способом целлюлозы зависит от способа варки, а так же от вида древесины. Выход составляет от 40 до 65 %.

В отличие от целлюлозы, полученной механическим способом, целлюлоза, полученная химическим способом, имеет белый цвет, большую длину волокон, становится более гибкой.

Применение целлюлозы:

– для производства бумаги и картона,

– в качестве наполнителя в таблетках в фармацевтике,

– для получения искусственных волокон (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха),

– для изготовления тканей (хлопок, который большей частью состоит из целлюлозы – 95-98 %),

– для производства пластмасс, оргстекла, кино и фото пленок и пр.,

– для производства лаков,

– для производства порохов,

– для изготовления нитей, канатов,

– получение глюкозы, этилового спирта.

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Ознакомиться с концепциейНовинки технологийФорумТаблица Менделеева

карта сайта

Коэффициент востребованности 1

comments powered by HyperComments
Источник публикации

Натуральные целлюлозные волокна: описание, свойства, характеристики

Время чтения: 8 минут

   

Целлюлоза представляет собой волокнистый материал растительного происхождения и является основой всех натуральных и искусственных целлюлозных волокон. Натуральные целлюлозные волокна включают хлопок, лен, пеньку, джут и рами. Целлюлоза представляет собой полимерный сахарный полисахарид, состоящий из повторяющихся 1,4-8-гидроглюкозных единиц, связанных друг с другом 8-эфирными связями. Сильные межмолекулярные силы между цепями в сочетании с высокой линейностью молекулы целлюлозы объясняют кристаллическую природу целлюлозных волокон.

Целлюлозные волокна

целлюлозные волокна

Естественные волокна являются растительными, животными или минеральными по происхождению. Растительные волокна, как следует из названия, происходят от растений. Основным химическим компонентом в растениях является целлюлоза, и поэтому их также называют целлюлозными волокнами. Волокна обычно связаны природным фенольным полимером, лигнином, который также часто присутствует в клеточной стенке волокна; поэтому растительные волокна также часто называют лигноцеллюлозными волокнами, за исключением хлопка, который не содержит лигнин.

Целлюлоза представляет собой волокнистый материал растительного происхождения и является основой всех натуральных и искусственных целлюлозных волокон. Натуральные целлюлозные волокна включают хлопок, лен, пеньку, джут и рами. Основным искусственным целлюлозным волокном является вискоза, волокно, полученное путем регенерации растворенных форм целлюлозы.

Целлюлоза представляет собой полимерный сахар (полисахарид), состоящий из повторяющихся 1,4-8-гидроглюкозных единиц, соединенных друг с другом 8-эфирными связями.

линейные цепи целлюлозы

Длинные линейные цепи целлюлозы позволяют гидроксильным функциональным группам на каждом звене ангидроглюкозы взаимодействовать с гидроксильными группами на соседних цепях посредством водородной связи и силы Ван-дер-Ваальса. Эти сильные межмолекулярные силы между цепями в сочетании с высокой линейностью молекулы целлюлозы объясняют кристаллическую природу целлюлозных волокон.

Семенные волокна

хлопковое волокно

  • Хлопок является наиболее часто используемым натуральным целлюлозным волокном. Хлопчатобумажные волокна растут из семян в коробочке (стручке). Каждая коробочка содержит семь или восемь семян, и каждое семя может иметь до 20 000 волокон, растущих из него.
  • Кокосовое волокно получают из волокнистой массы между внешней оболочкой и шелухой кокосовых орехов. Это жесткое волокно. Оно обычно используется для изготовления прочных внутренних и наружных ковриков, подстилок и плиток.
  • Капокское волокно получают из семени дерева индийского капока. Волокно мягкое, легкое и пустое. Оно легко ломается, и его трудно прясть. Оно используется как волокнистый наполнитель и как набивка для подушек. Раньше волокно использовалось как наполнение для спасательных жилетов и матрасов на круизных судах, потому что оно очень плавучее.
  • Растительный шелк обладает свойствами, подобными свойствам капока.

Лубяные волокна

манильская пенка

  • Лен является одним из самых старых текстильных волокон, но его использование уменьшилось с момента изобретения вращающегося механизма для получения хлопка.
  • Волокна рами имеют длину от 10 до 15 см. Волокна белее и мягче льна. Рами плохо принимает красители, если только он не подвергается сухой чистке. Хотя натуральное волокно рами сильное, однако оно не обладает устойчивостью, эластичностью и потенциалом удлинения. Волокна рами устойчивы к плесени, насекомым и усадке. Они используются для одежды, оконных драпировок, веревок, бумаги и столового и постельного белья.
  • Пеньковая конопля похожа на лен. Волокна имеют длину от 10 до 40 см. Конопля оказывает малое воздействие на окружающую среду: она не требует пестицидов. Она вырабатывает на 250% больше волокна, чем хлопок, и на 600% больше волокна, чем лен, на одном и том же участке земли. Растения конопли можно использовать для извлечения цинка и ртутных загрязнителей из почвы. Конопля используется для веревок, одежды и бумаги. Наркоманы готовы платить чрезмерную цену за одежду из конопли, потому что она связана с марихуаной.
  • Джут является одним из самых дешевых и одним из самых слабых целлюлозных волокон. У джута низкая эластичность, удлинение, устойчивость к солнечному свету, устойчивость к плесени и стойкость к цвету. Он используется для производства сахарных и кофейных мешков, коврового покрытия, веревок и настенных покрытий. Мешковина делается из джута.

Листовые волокна

Абака (волокно)

  • Волокна «пайна» получают из листьев растения ананаса. Они используются для изготовления легких, чистых, жестких тканей для одежды, сумок и столового белья. Пайна также используется для изготовления матов.
  • Абака является членом семьи банановых деревьев. Волокна грубые и очень длинные (до полметра). Это прочное, долговечное и гибкое волокно, используемое для веревок, напольных ковриков, столового белья, одежды и плетеной мебели.

Классификация растительных волокон

классификация растительных волокон

Растительные волокна классифицируются в соответствии с их источником на растениях следующим образом:

(1) лубяные или стеблевые волокна, которые образуют волокнистые пучки во внутренней коре (флоэме или лубе) стеблей растений, часто упоминаются как мягкие волокна для текстильного использования;

(2) листовые волокна, которые проходят вдоль листьев однодольных растений, также называются твердыми волокнами и;

(3) волокна семенного волоса, источник хлопка, который является самым важным растительным волокном. Существует более 250 000 видов высших растений; однако для коммерческого применения используется лишь очень ограниченное число видов (<0,1%).

Волокна в лубяных и листовых волокнах являются неотъемлемой частью структуры растений, обеспечивая прочность и поддержку. В растениях из лубяных волокон они находятся рядом с внешней корой в лубе или флоэме и служат для укрепления стеблей этих тростниковых растений.

Волокна находятся в нитях, проходящих по длине стержня или между суставами. Чтобы отделить пряди, необходимо удалить естественную резинку, связывающую их. Эта операция называется вымачивание (контролируемое гниение). Для большинства применений, особенно для текстильных изделий, это длинное волокно композитного типа используется напрямую; однако, когда такие волокнистые нити измельчаются химическими средствами, прядь разбивается на гораздо более короткие и тонкие волокна.

Длинные листовые волокна дают силу листьям некоторых недревесных однодольных растений. Они простираются в продольном направлении по всей длине листа и зарываются в ткани паренхиматозной природы. Волокна, найденные ближе всего к поверхности листа, являются самыми сильными. Волокна отделяются от целлюлозы путем соскоба, поскольку между волокнами и пульпой малое связывание; эта операция называется декортикацией. Листовые волокнистые нити также многослойны по структуре.

Древние люди использовали веревку для рыболовства, ловушек и транспортировки, а также в тканях для одежды. Производство веревок и шнуров началось в палеолитические времена, как видно на рисунках пещер. Веревки, шнуры и ткани изготавливались из тростника и трав в Древнем Египте (400 г. до н.э.). Веревки, лодки, паруса и коврики изготавливались из волокон пальмового листа и стеблей папируса, а письменные поверхности, называемых папирусом, из сердцевины. Джут, лен, рами, осока, камыш и тростник уже давно используются для тканей и корзин. В древности джут выращивался в Индии и использовался для прядения и ткачества. Считается, что первая настоящая бумага была сделана в юго-восточном Китае во втором веке нашей эры из старых тряпок (лубяных волокон) из пеньки и рами, а затем из лубяного волокна тутового дерева.

В последние годы мировые рынки растительных волокон неуклонно снижаются, главным образом в результате замены синтетическими материалами. Джут традиционно является одним из основных лубяных волокон (тоннажная основа), продаваемых на мировом рынке; однако резкое снижение экспорта джута в Индию свидетельствует о снижении рыночного спроса на это волокно, которое жизненно важно для экономики Индии (Западная Бенгалия), Бангладеша и Пакистана.

Природные характеристики целлюлозного волокна

Рами

Рами является одним из самых старых волокнистых культур, которая использовалась как минимум шесть тысяч лет назад. Он также известен как фарфоровая трава.

  • Рами требует химической обработки для удаления смолы.
  • Это тонкое абсорбирующее, быстросохнущее волокно, немного жесткое, и обладает высоким естественным блеском.
  • Высота растения составляет 2,5 м, а его сила в восемь раз больше, чем у хлопка.

Конопля

В зависимости от обработки, используемой для удаления волокна из стебля, конопля может быть, естественно, кремово-белой, коричневой, серой, черной или зеленой.

  • Это желтовато-коричневое волокно.
  • Волокна конопли могут иметь длину от 10 см до 0,5 м, по всей высоте растения
  • Характеристики волокна конопли — его превосходная прочность и долговечность, устойчивость к ультрафиолетовому излучению и плесени, комфорт и хорошая поглощаемость

Джут

Джут является одним из самых дешевых натуральных волокон и уступает только хлопку в произведенном количестве и разнообразном использовании. Волокна джута состоят в основном из растительных материалов целлюлозы и лигнина.

  • Джут — это длинное, мягкое, блестящее растительное волокно, которое можно развернуть в грубые, сильные нити.
  • Таким образом, это лигноцеллюлозное волокно, которое частично является текстильным волокном и частично древесиной.
  • Растение вырастает до 2,5 м, а длина его волокна составляет около 2 м.
  • Он обычно используется в геотекстиле.
  • Он обладает хорошей устойчивостью к микроорганизмам и насекомым.
  • Он имеет низкую прочность во влажном состоянии, низкое удлинение и недорогой в производстве

Кокосовое волокно

Волокно механически извлекается из сухой зрелой кокосовой шелухи после вымачивания.

  • Это длинное, твердое и прочное волокно, но с более низкой мягкостью, меньшей водопоглощающей способностью и более короткой продолжительностью жизни, чем длинные вымоченные волокна.

Капок

стручок капок

Капоковое волокно — это шелковисто-хлопчатобумажное вещество, которое окружает семена в стручках дерева сейба.

  • Оно может выдерживать воду в 30 раз больше собственного веса и теряет только 10 процентов плавучести в течение 30-дневного периода.
  • Оно в восемь раз легче хлопка
  • Оно используется в качестве теплоизолятора.
  • Оно также легкое, неаллергическое, нетоксичное, устойчивое к гниению и запаху.
  • Так как оно неупругое и слишком хрупкое, его нельзя прясть.
  • Оно обладает выдающимися характеристиками легкости, герметичности, теплоизоляции и экологичности.

   

© 2020 textiletrend.ru

это... Строение, свойства, применение, получение целлюлозы

Целлюлоза — это производные двух природных веществ: дерева и хлопка. В растениях она осуществляет важную функцию, придает им гибкость и прочность.

Где встречается вещество?

Целлюлоза — это вещество натуральное. Растения способны вырабатывать её самостоятельно. В составе присутствуют: водород, кислород, углерод.

целлюлоза это

Растения вырабатывают сахар под действием солнечных лучей, он перерабатывается клетками и даёт возможность волокнам выдерживать высокие нагрузки от ветра. Целлюлоза — это вещество-участник процесса фотосинтеза. Если сахарную воду брызнуть на срез свежего дерева, то жидкость быстро впитается.

Начинается выработка целлюлозы. Этот естественный способ её получения взят за основу для производства хлопчатобумажной ткани в промышленных масштабах. Существует несколько методов, благодаря которым получают целлюлозу различного качества.

Метод изготовления №1

Получение целлюлозы происходит естественным методом — из семян хлопчатника. Волоски собираются автоматизированными механизмами, но требуется длительный период выращивания растения. Ткань, произведённая таким образом, считается наиболее чистой.

состав целлюлозы

Более быстро целлюлозу можно получить из волокон дерева. Однако при этом методе качество намного хуже. Этот материал пригоден только для изготовления неволокнистого пластика, целлофана. Также из такого материала могут производить искусственные волокна.

Естественное получение

Производить целлюлозу из семян хлопка начинают с отделения длинных волокон. Этот материал идёт на изготовление хлопчатобумажной ткани. Мелкие части, менее 1,5 см, называют хлопковым пухом.

Они пригодны для получения целлюлозы. Собранные части подвергают нагреву под высоким давлением. Длительность процесса может достигать 6 часов. Перед тем как начать греть материал, к нему добавляют гидроксид натрия.

Полученное вещество требуется промыть. Для этого применяется хлор, который к тому же и отбеливает. Состав целлюлозы при таком методе наиболее чистый (99%).

Метод изготовления №2 из древесины

Для получения 80-97% целлюлозы используют щепу хвойных деревьев, химические вещества. Всю массу смешивают и подвергают обработке температурой. В результате варки выделяется требуемое вещество.

крахмал и целлюлоза

Смешивается бисульфит кальция, диоксид серы и древесная масса. Целлюлозы в полученной смеси не более 50%. В результате реакции в жидкости растворяются углеводороды, лигнины. Твёрдый материал проходит стадию очистки.

Получают массу, напоминающую некачественную бумагу. Этот материал служит основой изготовления веществ:

  • Эфиров.
  • Целлофана.
  • Вискозного волокна.

Что производят из ценного материала?

Строение целлюлозы волокнистое, что позволяет из неё изготавливать одежду. Хлопковый материл — это на 99,8% натуральный продукт, полученный естественным методом, приведенным выше. Из него же можно изготовить взрывчатку в результате химической реакции. Целлюлоза активна при нанесении на неё кислот.

Свойства целлюлозы применимы для производства тканей. Так, из неё изготавливают искусственные волокна, напоминающие внешне и на ощупь натуральные ткани:

Преимущественно из древесной целлюлозы изготавливают:

  • лаки;
  • фотопленку;
  • бумажные изделия;
  • пластмассы;
  • губки для мытья посуды;
  • бездымный порох.
масса целлюлозыВ результате химической реакции из целлюлозы получают:
  • тринитроцеллюлозу;
  • динитроклетчатку;
  • глюкозу;
  • жидкое топливо.

В пищу целлюлоза также может применяться. В составе некоторых растений (сельдерея, салата, отрубей) присутствуют её волокна. Также она служит материалом для производства крахмала. Уже научились делать из неё тонкие нити — искусственная паутина очень прочная и не растягивается.

Химическая формула целлюлозы — C6h20O5. Является полисахаридом. Из неё изготавливают:

  • медицинскую вату;
  • бинты;
  • тампоны;
  • картон, ДСП;
  • пищевую добавку Е460.

Достоинства вещества

Целлюлоза способна выдерживать высокие температуры до 200 градусов. Молекулы не разрушаются, это позволяет изготавливать из неё пластиковую посуду многоразового использования. При этом сохраняется важное качество — эластичность.

свойства целлюлозы

Целлюлоза выдерживает длительное воздействие кислот. Абсолютно не растворяется в воде. Не переваривается человеческим организмом, используется в качестве сорбента.

Микрокристаллическая целлюлоза используется в нетрадиционной медицине в качестве препарата для очистки пищеварительной системы. Порошкообразное вещество выступает в роли пищевой добавки для снижения калорийности употребляемых блюд. Это способствует выводу токсинов, снижению сахара и холестерина в крови.

Метод изготовления №3 — промышленный

На производственных площадках целлюлозу готовят путём варки в различных средах. От вида реагента зависит используемый материал — тип дерева:

  • Смолистые породы.
  • Лиственные деревья.
  • Растения.

Различают несколько видов реагентов для варки:

  • Кислая среда. Иначе метод именуется как сульфитный. В качестве раствора применяют соль сернистой кислоты либо её жидкую смесь. При этом варианте производства целлюлозу выделяют из пород хвойных. Хорошо перерабатывают пихты, ели.
  • Щелочная среда или натронный метод основан на использовании гидроксида натрия. Раствор хорошо отделяет целлюлозу из волокон растений (кукурузных стеблей) и деревьев (преимущественно лиственных).
  • Одновременное использование гидроксида и сульфида натрия применяется в сульфатном методе. Он широко внедрен в производства по выработке сульфида белого щелока. Технология является достаточно негативной для окружающей природы из-за образующихся сторонних химических реакций.

Последний метод наиболее распространен из-за его универсальности: практически из любого дерева можно получить целлюлозу. Однако чистота материала не совсем высокая после одной варки. От примесей избавляются дополнительными реакциями:

  • гемицеллюлозы удаляют щелочными растворами;
  • макромолекулы лигнина и продукты их разрушения убираются хлором с последующей обработкой щелочью.

Пищевая ценность

Крахмал и целлюлоза имеют схожую структуру. В результате экспериментов удалось получить из несъедобных волокон жизненно важный продукт. Он требуется человеку постоянно. Употребляемая пища состоит более чем из 20% крахмала.

получение целлюлозы

Учёным удалось получить из целлюлозы вещество амилозу, положительно влияющую на состояние организма человека. Одновременно с этим в процессе реакции выделяется глюкоза. Получается безотходное производство — последнее вещество направляется для изготовления этанола. Амилоза же служит как средство профилактики ожирения.

В результате реакции целлюлоза остаётся в твердом состоянии, оседая на дно сосуда. Остальные составляющие удаляются при помощи магнитных наночастиц либо растворяются и отводятся с жидкостью.

Типы вещества в продаже

Поставщики предлагают целлюлозу разного качества по приемлемым ценам. Перечислим основные типы материала:

  • Целлюлоза сульфатная белого цвета, произведенная из двух видов дерева: хвойных и лиственных пород. Имеется небеленый материал, используемый в упаковочном материале, бумаге низкого качества для изоляционных материалов и других целей.
  • Имеется в продаже сульфитная также белого цвета, изготовленная из хвойных деревьев.
  • Порошковый материал белого цвета подходит для производства веществ медицинского назначения.
  • Целлюлоза премиум-сортов изготавливается методом отбеливания без участия хлора. В качестве сырья берутся хвойные породы. Древесная масса состоит из сочетания щепы ели и сосны в соотношении 20/80%. Чистота получаемого материала наивысшая. Он подходит для изготовления стерильных материалов, применяемых в медицине.

Для выбора подходящей целлюлозы используют стандартные критерии: чистота материала, прочность на разрыв, длина волокон, индекс сопротивления раздиранию. Также количественно указывается химическое состояние или агрессивность среды водной вытяжки и влажность. Для целлюлозы, поставляемой в виде беленой массы, применимы другие показатели: удельный объем, яркость, величина помола, прочность на растяжение, степень чистоты.

строение целлюлозы

Немаловажным для массы целлюлозы является показатель — индекс сопротивления раздиранию. От него зависит назначение производимых материалов. Учитывают вид древесины, используемой в качестве сырья, и влажность. Также важен уровень смол и жиров. Однородность порошка важна для определенных технологических процессов. Для аналогичных целей оценивают вязкость и сопротивление продавливанию материала в виде листов.

Целлюлозное волокно — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Вторичное целлюлозное волокно (целлюлоза от лат. cellula — «клетка») — это универсальное сырьё, которое получают из возобновляемого растительного источника. Целлюлозные волокна делятся на первичные и вторичные. Первичные целлюлозные волокна - это волокна полученные из древесины (природная целлюлоза). Такой материал имеет волокнистое состояние, с длиной волокон 3 мм. Из таких волокон производят различные виды бумаги и картона. После их использования, в качестве макулатуры, первичные целлюлозные волокна становятся сырьём для производства макулатурного волокна (вторичного целлюлозного волокна).

Вторичное целлюлозное волокно - является производным первичного волокна и имеет идентичные свойства с первичными волокнами. Вторичное волокно получают методом сухого роспуска вторичного сырья различных сортов макулатуры.

Так же вторичные волокна целлюлозы имеют различную длину, от 200 микрон до 2000 микрон, а из некоторых сортов макулатуры возможно получить волокно длинной до 3500 микрон. Толщина макулатурного волокна от 0,02 до 0,15 мкм (м*10-6) Данные волокна не растворимы в воде, кислотах и щелочах, в органике, хорошо удерживают и поглощают жидкость, устойчивость к температурам до 220 °C, не токсичны, вода в пространстве между целлюлозными волокнами не замерзает до -70 °C.

Макулатурное волокно используется в качестве загустителя, армирующего средства, водоудерживающей и реологической добавки, абсорбента и наполнителя в различных областях.

Спектр применения целлюлозного волокна[править | править код]

  1. В дорожном строительстве, основной компонент для производства стабилизирующей добавки для щебеночно-мастичного асфальтобетонного покрытия;
  2. В производстве сухих строительных смесей. Целлюлозное волокно ценный компонент в составе сухих смесей. Он выступает дисперсноармирующей добавкой.
  3. Целлюлозное волокно для производства фрикционных материалов. Добавка в производство фрикционных накладок для мотоциклов, автомобилей, грузовых машин. Используется, как основное сырьё для замены волокон асбеста.
  4. Натуральная добавка для производства эксклюзивных сортов бумаги и картона, тары и упаковки, бугорчатых прокладок для яиц, туалетной бумаги, выпуск одноразовых горшков для рассады, бумажной посуды, прокладок для упаковки продуктов питания.

Так же из вторичных целлюлозных волокон получают и готовые продукты:

  1. Целлюлозный утеплитель - эковата. Самый известный и распространенный готовый товар из макулатурного волокна.
  2. Сорбент нефтепродуктов, получаемый из вторичных волокон. За счет своего волокнистого состояния сорбент поглощает 8-10 единиц нефти и масла, что в 2-3 раза превышает возможности большинства других сорбентов. Поскольку сорбент изготовлен из органического сырья, он является безвредным для окружающей среды.
  3. Целлюлозная мульча для гидропосева – это органический, экологически чистый укрывной продукт для покрытия верхнего слоя почвы. Целлюлозную мульчу используют для озеленения территорий, армирования насыпей дорожных, железнодорожных откосов и русел рек, в облагораживании зон концентрации бытовых отходов. Так же применяют после проведения восстановительных работ в местах разлива нефти, пожаров, и для восстановления техногенных зон (гравийных или песчаных карьерах, рудников после выработки).

В России подобные целлюлозные волокна начали получать в промышленном масштабе в 2012 году. Хотя переработкой макулатуры и получением готовых продуктов из него начали заниматься в конце XIX века в Европе. В 1928 году в Германии открылось первое производство целлюлозного утеплителя. А ещё до этого в 1878 году одна немецкая фирма начала проводить исследовательские работы в области измельчения, в том числе и макулатуры. Получаемое ими волокно в последующем и нашло своё применение в промышленном производстве и дорожном строительстве. В 1992 году профессором ботаники и почвоведения из Вермонтского университета Норманом Пеллеттом было замечено что на участке, покрытом в начале лета 15-сантиметровым слоем мульчи из измельченной газетной бумаги, выросло за сезон не более восьми сорняков на квадратный метр. Хотя за долго до этого в 1953 году, компания Bowie Industries (США) уже разработала первую установку для озеленения территорий, где применялась целлюлозная мульча.

  • Regenerated Cellulose Fibres. Woodhead Publishing, 2001. 352 с. ISBN: 9781855734593  (англ.)

Виды целлюлозы

Сырьем для производства древесной массы и целлюлозы является щепа технологическая.

Технологическая щепа образуется из древесины несколькими способами:

  1. Как побочный материал при распиловке на фрезерно-брусующих линиях.
    Данный способ очень дешевый для производства щепы, так как она здесь является побочным продуктом при распиловке из круглого леса пиломатериалов.
     
  2. Второй способ - это получение щепы из круглого леса на дробилках.

Плотность древесной щепы, как и круглой древесины – очень неоднородна, связано это со строением дерева. Например, заболонная часть дерева гораздо тяжелее центральной части. А  комлевая древесина тяжелее верхушечной части и веток. Также плотность щепы полученной из березы будет гораздо больше, чем щепы из сосны.

Прежде всего, отметим, что в целлюлозно-бумажной индустрии для выработки бумаги и картона в зависимости от вида выпускаемой продукции используют как целлюлозу, так и древесную массу, а также полуцеллюлозу.

  1. Промышленный способ получения целлюлозы заключается в варке древесной щепы на целлюлозных комбинатах. Целлюлозная масса является основой при производстве, прежде всего, некоторых видов бумаги и картона. Есть, правда, и менее объемные производства, использующие целлюлозу. Это и вискозное волокно, и фотопленка, а также некоторые виды пластика.
     
  2. Химико-механические древесные массы в отличие только от варки целлюлозы, подвергаются в конце также механическому воздействию, т.е. окончательное разделение волокон происходит механическим путем. В результате получается исключительно жесткая масса. Применение такой древесной массы идеально для конструкционной опоры, необходимой для гофрированного тарного картона.
     
  3. Полуцеллюлоза занимает промежуточное место между механической массой и целлюлозой. При производстве полуцеллюлозы комбинируют  химический и механический способы обработки древесной щепы. Древесную щепу, частично размягчают или варят с химикатами, и после этого механически  разделяют на волокна, например, в дисковых рафинерах. Методы производства полуцеллюлозы позволяют получать выход в районе 55-90%. В качестве сырья для получения полуцеллюлозы служат главным образом лиственные породы древесины (береза, осина, тополь, бук и др.), реже хвойные (ель, пихта, сосна).

Растворимая целлюлоза - это техническая целлюлоза, предназначенная, главным образом, для производства химических производных целлюлозы. Она используется для химической переработки, чтобы получать такие продукты как вискозные волокна, целлофан, ацетаты целлюлозы, нитраты целлюлозы и карбоксиметилцеллюлозу. Растворимую целлюлозу получают любым модифицированным как сульфатным, так и сульфитным способом.

Нерастворимые сорта целлюлозы используются для производства в большей степени бумаги и картона.

По способам варки, в зависимости от применяемых реагентов, различают следующие способы варки:

  1. Кислый (сульфитный). При варке целлюлозы кислым способом добавляют сернистую кислоту и ее соли. Этот метод широко распространен при варке целлюлозы из малосмолистых пород древесины (ель, пихта).
     
  2. Щелочной (натронный и сульфатный)
    • Щелочной натронный способ применим в том случае, если в качестве сырья используется  древесина лиственных пород. Это наиболее дорогостоящий способ варки целлюлозы.
       
    • Щелочной сульфатный способ наиболее распространенный метод варки в России. В качестве реагента применяют гидроксид и сульфид натрия. Данный метод позволяет осуществлять варку целлюлозы из любого вида древесного сырья. Существенным недостатком сульфатного способа варки целлюлозы является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений.

Источник:
Рынок целлюлозы в России–2014
Лес Онлайн.ру, 26.06.2014

Related Posts

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

2021 © Все права защищены.