Получение и применение целлюлозы

Реферат

Получение и применение целлюлозы

Целлюлоза используется человеком с очень древних времен. Сначала применяли древесину как горючий и строительный материал; затем хлопковые, льняные и другие волокна стали использовать как текстильное сырье. Первые промышленные способы химической переработки древесины возникли в связи с развитием бумажной промышленности.

Бумага - это тонкий слой волокон клетчатки, спрессованных и проклеенных для создания механической прочности, гладкой поверхности, для предотвращения растекания чернил. Первоначально для изготовления бумаги употребляли растительное сырье, из которого чисто механически можно было получить необходимые волокна, стебли риса (так называемая рисовая бумага), хлопка, использовали также изношенные ткани. Однако по мере развития книгопечатания перечисленных источников сырья стало не хватать для удовлетворения растущей потребности бумаги. Особенно много бумаги расходуется для печатания газет, причем вопрос о качестве (белизне, прочности, долговечности) для газетной бумаги значения не имеет. Зная, что древесина примерно на 50% состоит из клетчатки, к бумажной массе стали добавлять размолотую древесину. Такая бумага непрочна и быстро желтеет (особенно на свету).

Для улучшения качества древесных добавок к бумажной массе были предложены различные способы химической обработки древесины, позволяющие получить из нее более или менее чистую целлюлозу, освобожденную от сопутствующих веществ - лигнина, смол и других. Для выделения целлюлозы было предложено несколько способов, из которых мы рассмотрим сульфитный.

По сульфитному способу измельченную древесину ”варят “ под давлением с гидросульфитом кальция. При этом сопутствующие вещества растворяются, и освобожденную от примесей целлюлозу отделяют фильтрованием. Образующиеся сульфитные щелока являются в бумажном производстве отходами. Однако вследствие того, что они содержат наряду с другими веществами способные к брожению моносахариды, их используют как сырье для получения этилового спирта (так называемый гидролизный спирт). Целлюлоза применяется не только как сырье в бумажном производстве, но идет еще и на дальнейшую химическую переработку. Наибольшее значение имеют простые и сложные эфиры целлюлозы. Так, при действии на целлюлозу смесью азотных и серных кислот получают нитраты целлюлозы. Все они горючи и взрывчаты.

Максимальное число остатков азотной кислоты, которые можно ввести в целлюлозу, равно трем на каждое звено глюкозы:

[C6H7O2 (OH) 3] n HNO3_ [C6H7O2 (ONO2) 3] n

Продукт полной этерификации - тринитрат целлюлозы (тринитроцеллюлоза) - должен содержать в соответствии с формулой 14,1% азота. На практике получают продукт с несколько меньшим содержанием азота (12,5/13,5%), известный в технике под названием пирокселин. При обработке эфиром пироксилин желатинизируется; после испарения растворителя остаётся компактная масса. Мелко нарезанные кусочки этой массы - бездымный порох.

Продукты нитрования, содержащие около 10% азота, отвечает по составу динитрату целлюлозы: в технике такой продукт известен под названием коллоксилин. При действии на него смеси спирта и эфира образуется вязкий раствор, так называемый коллодий, применяемый в медицине. Если к такому раствору добавить камфору (0.4 ч. камфоры на 1 ч. коллоксилина) и испарить растворитель, то останется прозрачная гибкая плёнка - целлулоид.

Исторически - это первый известный тип пластмассы. Ещё с прошлого века целлулоид получил широкое применение как удобный термопластичный материал для производства многих изделий (игрушки, галантерея и т.д.). В особенности важно использование целлулоида в производстве киноплёнки и нитролаков.

Серьёзным недостатком этого материала является его горючесть, поэтому в настоящее время целлулоид всё чаще заменяют другими материалами, в частности ацетатами целлюлозы.

При действии на целлюлозу смеси уксусного ангидрида, уксусной кислоты и серной кислоты или хлорида цинка (последние играют роль катализаторов) образуется триацетат целлюлозы:

[C6H7O2 (OH) 3] n (CH3CO) 2_ [C6H7O2 (OCOCH3) 3] n

Неполное ацетилирование целлюлозы или частичный гидролиз триацетата приводит к вторичному ацетату (2,4-2,7 остатков уксусной кислоты на элементарное звено), условно называемому диацетатом. Из ацетатов целлюлозы готовят лаки, негорючую киноплёнку, а также ацетатное волокно.

Если посмотреть под микроскопом волокна главных природных текстильных материалов - хлопка, шерсти и натурального шелка, то обращает на себя внимание различие между первыми двумя и шёлком. Волокна хлопка и шерсти имеют “мохнатую" поверхность. Волокна шёлка - более гладкие, отсюда блеск и плотность шелковых тканей. Подметив это, уже давно пытались создать искусственный шелк, изменяя характер поверхности целлюлозных волокон. Для получения получения волокна триацетат целлюлозы растворяют в смеси дихлорметана и этилового спирта, а диацетат - смеси ацетона с водой и затем продавливают этот раствор (формования волокна) через сосуд с тонкими отверстиями - фильеру. Вытекающие тончайшие струйки при испарении растворителя (сухое прядение) превращаются в очень тонкие нити, которые далее скручивают в более толстую, уже пригодную для ткачества нить ацетатного шёлка. Этот вид искусственного волокна обладает рядом преимуществ по сравнению с другими искусственными волокнами, например с вискозным. Поэтому его производство в последние годы успешно развивается.

Очевидно, что общий принцип, лежащий в основе получения ацетатного волокна (растворение, затем формования нитей), можно осуществлять и по - иному. Большое техническое значение имеет вискозный способ. Сущность этого способа - образование растворимого в воде соединения целлюлозы при действии на неё сероуглерода и щёлочи:

S

||

[C6H7O2 (OH) 3] n CS2, NaOH_ [C6H7O2 (O - C - SNa) 3] n

Образовавшееся соединение представляет собой натриевую соль сложного эфира дитиоугольной (ксантогеновой) кислоты и целлюлозы. Это соединение называют ксантогенатом целлюлозы. Водный (точнее, щелочной) раствор ксантогената целлюлозы (вискоза) продавливают через фильеры в прядильную ванну, содержащую серную кислоту, сульфаты натрия и цинка и воду (так называемое мокрое прядение). Под действием кислоты ксантогенатные группы отщепляются и регенерируется целлюлоза. Такая же нить, но несколько более толстая и “нарубленная” на мелкие куски представляет собой штапельное волокно, из которого получают ткани, заменяющие хлопчатобумажные. Если вискозу вместо фильер продавливать через узкие щели, получается прозрачная пленка - целлофан.

Было предложено получать искусственное волокно и из растворов целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди. Получаемое таким способом медноаммиачное волокно обладает хорошим качеством, однако стоимость его высока.

Нашли техническое применение и простые эфиры целлюлозы. Так, обрабатывая целлюлозу сначала щелочью, а затем метилхлоридом (под давлением), получают метилцеллюлозу:

[C6H7O2 (OH) 3 NaOH,CH3Cl_ [C6H7O2 (OH) (OCH3) 2] n

Метилцеллюлоза обладает некоторой растворимостью в воде; применяется главным образом как загуститель (вместо крахмала) в текстильной, косметической и пищевой промышленности. Аналогично получают этилцеллюлозу, которую используют для производства прочных морозостойких плено. Искусственные волокна на основе целлюлозы ныне занимают видное место в общем балансе текстильного сырья.