Celiuliozė– vienas iš labiausiai paplitusių natūralių polisacharidų, pagrindinis augalų ląstelių sienelių komponentas ir pagrindinė struktūrinė medžiaga. Celiuliozės kiekis medvilnės sėklų pluošte yra 95-99,5%, karnienos pluošte (linai, džiutas, ramė) 60-85%, medienos audinyje (priklausomai nuo medžio rūšies, jo amžiaus, augimo sąlygų) 30-55%. žaliuose lapuose, žolėje, žemesniuose augaluose 10-25%. Beveik atskiroje būsenoje celiuliozė randama genties bakterijose Acetobakterija. Daugumos augalų ląstelių sienelėse celiuliozės palydovai yra kiti struktūriniai polisacharidai, kurie skiriasi struktūra ir vadinami hemiceliuliozės– ksilanas, mananas, galaktanas, arabanas ir kt. (žr. skyrių „Hemiceliuliozės“), taip pat ne angliavandenių medžiagos (ligninas – erdvinis aromatinės struktūros polimeras, silicio dioksidas, dervingos medžiagos ir kt.).

Celiuliozė lemia ląstelės membranos ir viso augalo audinio mechaninį stiprumą. Celiuliozės pluoštų pasiskirstymas ir orientacija augalo ląstelės ašies atžvilgiu naudojant medieną kaip pavyzdį parodyta 1 pav. Čia taip pat pateikiama submikroninė ląstelės sienelės struktūra.

Brandžios medienos ląstelės sienelė, kaip taisyklė, apima pirminę ir antrinę ląstelės sienelę (1 pav.). Pastarasis susideda iš trijų sluoksnių – išorinio, vidurinio ir vidinio.

Pirminiame apvalkale natūralūs celiuliozės pluoštai yra išsidėstę atsitiktinai ir sudaro tinklo struktūrą ( išsklaidyta tekstūra). Celiuliozės pluoštai antriniame apvalkale yra orientuoti iš esmės lygiagrečiai vienas kitam, o tai suteikia augalinei medžiagai didelį atsparumą tempimui. Antrinio apvalkalo celiuliozės polimerizacijos ir kristališkumo laipsnis yra didesnis nei pirminiame apvalkale.

Sluoksniu S 1 antrinis apvalkalas (1 pav., 3 ) celiuliozės pluoštų kryptis yra beveik statmena ląstelės ašiai, sluoksnyje S 2 (1 pav., 4 ) jie sudaro ūminį (5-30) kampą su ląstelės ašimi. Pluošto orientacija sluoksnyje S 3 labai skiriasi ir gali skirtis net gretimose tracheidose. Taigi eglės tracheidose kampas tarp vyraujančios celiuliozės pluoštų orientacijos ir ląstelės ašies svyruoja nuo 30-60, o daugumos kietmedžių pluoštuose yra 50-80. Tarp sluoksnių R Ir S 1 , S 1 ir S 2 , S 2 ir S 3, stebimos pereinamosios sritys (lamelės) su skirtinga skaidulų mikroorientacija nei pagrindiniuose antrinio apvalkalo sluoksniuose.

Techninė celiuliozė yra pluoštinis pusgaminis, gaunamas išvalius augalinius pluoštus iš neceliuliozės komponentų. Celiuliozė paprastai vadinama pagal žaliavos rūšį ( mediena, medvilnė), išgavimo iš medienos būdas ( sulfitas, sulfatas), taip pat pagal paskirtį ( viskozė, acetatas ir kt.).

Kvitas

1.Medienos masės gamybos technologija apima šias operacijas: žievės pašalinimas iš medienos (žievės); medžio drožlių gavimas; medžio drožlių virimas (pramonėje virimas atliekamas sulfato arba sulfito metodu); rūšiavimas; balinimas; džiovinimas; pjovimas

Sulfito metodas. Eglės mediena apdorojama vandeniniu kalcio, magnio, natrio ar amonio bisulfito tirpalu, po to temperatūra pakeliama iki 105-110°C 1,5-4 valandoms ir verdama šioje temperatūroje 1-2 valandas. Tada padidinkite temperatūrą iki 135-150°C ir virkite 1-4 valandas. Tokiu atveju visi neceliulioziniai medienos komponentai (daugiausia ligninas ir hemiceliuliozės) tampa tirpūs, o lignifikuota celiuliozė lieka.

Sulfato metodas. Bet kokios rūšies medienos (taip pat nendrių) drožlės apdorojamos virimo tirpalu, kuris yra vandeninis kaustinės sodos ir natrio sulfido (NaOH + Na 2 S) tirpalas. Per 2-3 valandas padidinkite temperatūrą iki 165-180°C ir kepkite šioje temperatūroje 1-4 valandas. Iš reakcijos mišinio pašalinami neceliuliozės komponentai, paverčiami tirpia būsena, o iš priemaišų išvalyta celiuliozė lieka.

2.Medvilnės minkštimas gaunamas iš medvilnės linierių. Priėmimo technologija apima mechaninis valymas, šarminis virimas (1-4 % vandeniniame NaOH tirpale 130-170°C temperatūroje) ir balinimas. Medvilnės celiuliozės pluoštų elektroninės mikrografijos parodytos 2 pav.

3. Bakterinė celiuliozė sintetina genties bakterijos Acetobakterija. Gauta bakterinė celiuliozė turi didelę molekulinę masę ir siaurą molekulinės masės pasiskirstymą.

Siauras molekulinės masės pasiskirstymas paaiškinamas taip. Kadangi angliavandeniai į bakterijų ląstelę patenka tolygiai, vidutinis susidarančių celiuliozės pluoštų ilgis laikui bėgant proporcingai didėja. Šiuo atveju nėra pastebimo mikropluošto (mikrofibrilių) skersinių matmenų padidėjimo. Vidutinis bakterijų celiuliozės skaidulų augimo greitis yra ~0,1 μm/min, o tai atitinka 10 7 -10 8 gliukozės likučių polimerizaciją per valandą vienoje bakterijos ląstelėje. Todėl vidutiniškai kiekvienoje bakterijos ląstelėje per sekundę prie augančių netirpių celiuliozės skaidulų galų prisitvirtina 10 3 gliukopiranozės vienetai.

Bakterinės celiuliozės mikropluoštai auga nuo abiejų fibrilės galų iki abiejų vienodu greičiu. Makromolekulinės grandinės mikrofibrilių viduje išsidėsčiusios antilygiagrečiai. Apie kitų rūšių celiuliozę tokie duomenys nebuvo gauti. Bakterijų celiuliozės skaidulų elektroninė mikrografija parodyta 3 pav. Matyti, kad pluoštai yra maždaug vienodo ilgio ir skerspjūvio ploto.

Struktūra.

Celiuliozės molekulinė formulė yra (-C 6 H 10 O 5 -) n, kaip ir krakmolo. Celiuliozė taip pat yra natūralus polimeras. Jo makromolekulę sudaro daugybė gliukozės molekulių likučių. Gali kilti klausimas: kodėl krakmolo ir celiuliozės medžiagos yra vienodos molekulinė formulė– turi skirtingas savybes?

Nagrinėdami sintetinius polimerus, jau išsiaiškinome, kad jų savybės priklauso nuo elementariųjų vienetų skaičiaus ir jų sandaros. Ta pati situacija galioja ir natūraliems polimerams. Pasirodo, celiuliozės polimerizacijos laipsnis yra daug didesnis nei krakmolo. Be to, lyginant šių natūralių polimerų struktūras, nustatyta, kad celiuliozės makromolekulės, skirtingai nei krakmolas, susideda iš b-gliukozės molekulės likučių ir turi tik linijinę struktūrą. Celiuliozės makromolekulės išsidėsčiusios viena kryptimi ir sudaro pluoštus (linų, medvilnės, kanapių).

Kiekvienoje gliukozės molekulės liekanoje yra trys hidroksilo grupės.

Fizinės savybės .

Celiuliozė yra pluoštinė medžiaga. Netirpsta ir nepereina į garų būseną: kaitinant iki maždaug 350 o C, celiuliozė suyra – suanglėja. Celiuliozė netirpi vandenyje arba daugelyje kitų neorganinių ir organinių tirpiklių.

Celiuliozės nesugebėjimas ištirpti vandenyje yra netikėta savybė medžiagai, turinčiai tris hidroksilo grupes kiekvienam šešiems anglies atomams. Gerai žinoma, kad polihidroksilo junginiai lengvai tirpsta vandenyje. Celiuliozės netirpumas paaiškinamas tuo, kad jos skaidulos yra tarsi lygiagrečių siūlų molekulių „ryšuliai“, sujungti daugybe vandenilio jungčių, kurios susidaro dėl hidroksilo grupių sąveikos. Tirpiklis negali prasiskverbti į tokio „ryšulio“ vidų, todėl molekulės neatsiskiria viena nuo kitos.

Celiuliozės tirpiklis yra Schweitzerio reagentas – vario (II) hidroksido tirpalas su amoniaku, su kuriuo jis kartu sąveikauja. Koncentruotos rūgštys (sieros, fosforo) ir koncentruotas cinko chlorido tirpalas taip pat tirpdo celiuliozę, tačiau tokiu atveju vyksta dalinis jos skilimas (hidrolizė), kartu su molekulinės masės mažėjimu.

Cheminės savybės .

Chemines celiuliozės savybes pirmiausia lemia hidroksilo grupių buvimas. Veikiant metaliniu natriu, galima gauti celiuliozės alkoksido n. Koncentruoto įtakoje vandeniniai tirpalaišarmai, įvyksta vadinamoji merserizacija – dalinis celiuliozės alkoholiatų susidarymas, dėl kurio pluoštas išbrinksta ir padidėja jo jautrumas dažams. Dėl oksidacijos celiuliozės makromolekulėje atsiranda tam tikras skaičius karbonilo ir karboksilo grupių. Veikiant stiprioms oksiduojančioms medžiagoms, makromolekulė suyra. Celiuliozės hidroksilo grupės gali alkilinti ir acilinti, todėl gaunamos paprastos ir esteriai.

Vienas iš labiausiai būdingos savybės celiuliozė - gebėjimas atlikti hidrolizę esant rūgštims, kad susidarytų gliukozė. Panašiai kaip krakmolas, celiuliozės hidrolizė vyksta etapais. Apibendrinant, šį procesą galima pavaizduoti taip:

(C6H10O5)n + nH2O H2SO4_ nC6H12O6

Kadangi celiuliozės molekulėse yra hidroksilo grupių, jai būdingos esterinimo reakcijos. Iš šių praktinę reikšmę celiuliozė reaguoja su azoto rūgštimi ir acto anhidridu.

Kai celiuliozė reaguoja su azoto rūgštimi, esant koncentruotai sieros rūgščiai, priklausomai nuo sąlygų, susidaro dinitroceliuliozė ir trinitroceliuliozė, kurios yra esteriai:

Kai celiuliozė reaguoja su acto anhidridu (esant acto ir sieros rūgštims), gaunama triacetilceliuliozė arba diacetilceliuliozė:

Minkštimas dega. Taip susidaro anglies monoksidas (IV) ir vanduo.

Kaitinant medieną nepasiekiant oro, celiuliozė ir kitos medžiagos suyra. Šiuo atveju paaiškėja anglis, metanas, metilo alkoholis, acto rūgštis, acetonas ir kiti produktai.

Kvitas.

Beveik grynos celiuliozės pavyzdys yra vata, gauta iš valytos medvilnės. Didžioji celiuliozės dalis yra išskirta iš medienos, kurioje ji yra kartu su kitomis medžiagomis. Dažniausias mūsų šalyje celiuliozės gamybos būdas yra vadinamasis sulfito metodas. Pagal šį metodą skaldyta mediena, esant kalcio hidrosulfito Ca(HSO 3) 2 arba natrio hidrosulfito NaHSO 3 tirpalui, kaitinama autoklavuose 0,5–0,6 MPa slėgiu ir 150 o C temperatūroje. , visos kitos medžiagos sunaikinamos, o celiuliozė išsiskiria palyginti gryna forma. Jis nuplaunamas vandeniu, išdžiovinamas ir siunčiamas tolesniam perdirbimui, dažniausiai popieriaus gamybai.

Taikymas.

Celiuliozę žmonės naudojo nuo labai senų laikų. Iš pradžių mediena buvo naudojama kaip kuras ir statybinė medžiaga; tada medvilnė, linai ir kiti pluoštai pradėti naudoti kaip tekstilės žaliava. Pirmieji pramoniniai cheminio medienos apdirbimo būdai atsirado kartu su popieriaus pramonės plėtra.

Popierius yra plonas pluošto pluošto sluoksnis, suspaustas ir suklijuotas, kad būtų sukurtas mechaninis tvirtumas, lygus paviršius ir kad rašalas nenutekėtų. Iš pradžių popieriui gaminti buvo naudojamos augalinės medžiagos, iš kurių grynai mechaniškai buvo galima gauti reikiamą pluoštą, taip pat buvo naudojami ryžių stiebai (vadinamasis ryžių popierius), medvilnė, susidėvėję audiniai. Tačiau vystantis knygų spausdinimui, išvardytų žaliavų šaltinių nebepakako augančiai popieriaus paklausai patenkinti. Ypač daug popieriaus sunaudojama spausdinant laikraščius, o laikraštinio popieriaus kokybės (baltumo, stiprumo, ilgaamžiškumo) klausimas neturi reikšmės. Žinodami, kad medieną sudaro maždaug 50 % pluošto, jie pradėjo dėti maltos medienos į popieriaus masę. Toks popierius yra trapus ir greitai pagelsta (ypač šviesoje).

Siekiant pagerinti popieriaus masės medienos priedų kokybę, įvairių būdų cheminis apdorojimas mediena, leidžianti iš jos gauti daugiau ar mažiau grynos celiuliozės, išvalytos nuo lydinčių medžiagų – lignino, dervų ir kt. Celiuliozės išskyrimui buvo pasiūlyti keli metodai, iš kurių nagrinėsime sulfito metodą.

Pagal sulfito metodą, susmulkinta mediena „virti“ spaudžiant kalcio hidrosulfitu. Tokiu atveju lydinčios medžiagos ištirpsta, o iš nešvarumų pašalinta celiuliozė yra atskiriama filtruojant. Gauti sulfitiniai tirpalai yra popieriaus gamyba atliekų. Tačiau dėl to, kad juose kartu su kitomis medžiagomis yra fermentuoti galinčių monosacharidų, jie naudojami kaip žaliava etilo alkoholiui (vadinamajam hidroliziniam alkoholiui) gaminti.

Celiuliozė naudojama ne tik kaip žaliava popieriaus gamyboje, bet naudojama ir tolesniam cheminiam apdorojimui. Aukščiausia vertė turi celiuliozės eterių ir esterių. Taigi, apdorojant celiuliozę azoto ir sieros rūgščių mišiniu, gaunami celiuliozės nitratai. Visi jie yra degūs ir sprogūs. Maksimalus skaičius azoto rūgšties likučių kiekis, kurį galima įnešti į celiuliozę, yra lygus trims kiekvienam gliukozės vienetui:

N HNO3_ n

Visiško esterifikavimo produkte – celiuliozės trinitratas (trinitroceliuliozė) – pagal formulę turi būti 14,1 % azoto. Praktiškai gaunamas produktas su šiek tiek mažesniu azoto kiekiu (12,5/13,5%), žinomas kaip pirokselinas. Apdorojus eteriu, piroksilinas želatinizuojasi; tirpikliui išgaravus, lieka kompaktiška masė. Smulkiai supjaustyti šios masės gabalėliai yra bedūmiai milteliai.

Nitravimo produktai, kurių sudėtyje yra apie 10% azoto, savo sudėtimi atitinka celiuliozės dinitratą: technologijoje toks produktas žinomas kaip koloksilinas. Veikiant alkoholio ir eterio mišiniui susidaro klampus tirpalas, vadinamasis kolodijus, naudojamas medicinoje. Jei į tokį tirpalą įpilsite kamparo (0,4 dalys kamparo 1 daliai koloksilino) ir išgarinsite tirpiklį, liksite skaidrią lanksčią plėvelę – celiulioidą. Istoriškai tai yra pirmasis žinomas plastiko tipas. Nuo praėjusio šimtmečio celiulioidas buvo plačiai naudojamas kaip patogi termoplastinė medžiaga daugelio gaminių (žaislų, galanterijos ir kt.) gamybai. Celiulioido panaudojimas plėvelinių ir nitrolakų gamyboje yra ypač svarbus. Rimtas šios medžiagos trūkumas yra jos degumas, todėl dabar celiulioidą vis dažniau pakeičia kitos medžiagos, ypač celiuliozės acetatas.

Visą gyvenimą mus supa daugybė objektų - kartonines dėžutes, ofsetinis popierius, celofaniniai maišeliai, viskozės drabužiai, bambukiniai rankšluosčiai ir daug daugiau. Tačiau mažai žmonių žino, kad jų gamyboje aktyviai naudojama celiuliozė. Kas yra ši tikrai stebuklinga medžiaga, be kurios beveik nėra šiuolaikinių pramonės įmonė? Šiame straipsnyje kalbėsime apie celiuliozės savybes, jos panaudojimą įvairiose srityse, taip pat iš ko ji išgaunama ir kas tai yra cheminė formulė. Pradėkime, galbūt, nuo pradžių.

Medžiagos aptikimas

Celiuliozės formulę atrado prancūzų chemikas Anselme Payen, atlikdamas eksperimentus atskiriant medieną į komponentus. Ją apdorojęs azoto rūgštimi, mokslininkas atrado, kad per cheminė reakcija susidaro pluoštinė medžiaga, panaši į medvilnę. Kruopščiai išanalizavęs gautą medžiagą, Payenas gavo cheminę celiuliozės formulę - C 6 H 10 O 5. Proceso aprašymas buvo paskelbtas 1838 m., o medžiaga gavo mokslinį pavadinimą 1839 m.

Gamtos dovanos

Dabar tikrai žinoma, kad beveik visose minkštose augalų ir gyvūnų dalyse yra tam tikras celiuliozės kiekis. Pavyzdžiui, augalams ši medžiaga reikalinga normaliam augimui ir vystymuisi, o tiksliau – naujai susiformavusių ląstelių membranoms kurti. Pagal sudėtį jis priklauso polisacharidams.

Pramonėje, kaip taisyklė, natūrali celiuliozė išgaunama iš spygliuočių ir lapuočių medžių – sausoje medienoje šios medžiagos yra iki 60%, taip pat apdorojant medvilnės atliekas, kuriose yra apie 90% celiuliozės.

Yra žinoma, kad jei mediena kaitinama vakuume, tai yra, nepatenkant oro, įvyksta terminis celiuliozės skilimas, dėl kurio susidaro acetonas, metilo alkoholis, vanduo, acto rūgštis ir medžio anglis.

Nepaisant turtingos planetos floros, miškų nebeužtenka pagaminti pramonei reikalingo cheminio pluošto – celiuliozės naudojimas yra per didelis. Todėl jis vis dažniau išgaunamas iš šiaudų, nendrių, kukurūzų stiebų, bambuko ir nendrių.

Sintetinė celiuliozė naudojant įvairius technologiniai procesai gaunama iš anglies, naftos, gamtinių dujų ir skalūnų.

Iš miško į dirbtuves

Pažvelkime į techninės celiuliozės išgavimą iš medienos – tai sudėtingas, įdomus ir ilgas procesas. Pirmiausia į gamybą atvežama mediena, supjaustoma stambiais gabalais ir pašalinama žievė.

Tada nuvalyti batonėliai apdorojami drožlėmis ir rūšiuojami, o po to verdami šarme. Gauta celiuliozė atskiriama nuo šarmo, po to išdžiovinama, supjaustoma ir supakuojama siuntimui.

Chemija ir fizika

Kokios cheminės ir fizinės paslaptys slypi celiuliozės savybėse, be to, kad ji yra polisacharidas? Visų pirma, ši medžiaga baltas. Jis lengvai užsidega ir gerai dega. Ištirpsta sudėtingi junginiai vanduo su kai kurių metalų hidroksidais (variu, nikeliu), su aminais, taip pat sieros ir fosforo rūgštyse, koncentruotu cinko chlorido tirpalu.

Yra buitiniai tirpikliai Celiuliozė netirpsta paprastame vandenyje. Taip atsitinka todėl, kad šios medžiagos ilgos į siūlą panašios molekulės yra susijungusios į savotiškus ryšulius ir išsidėsčiusios lygiagrečiai viena kitai. Be to, visa ši „struktūra“ yra sustiprinta vandeniliniais ryšiais, todėl silpno tirpiklio ar vandens molekulės tiesiog negali prasiskverbti į vidų ir sunaikinti šio stipraus rezginio.

Ploniausi siūlai, kurių ilgis svyruoja nuo 3 iki 35 milimetrų, sujungti į ryšulius – taip galite schematiškai pavaizduoti celiuliozės struktūrą. Ilgi pluoštai naudojami tekstilės pramonėje, trumpi pluoštai naudojami, pavyzdžiui, popieriaus ir kartono gamyboje.

Celiuliozė netirpsta ir nevirsta garais, tačiau kaitinama virš 150 laipsnių Celsijaus pradeda irti, išskirdama mažos molekulinės masės junginius – vandenilį, metaną ir anglies monoksidą (anglies monoksidą). Esant 350 o C ir aukštesnei temperatūrai, celiuliozė suanglėja.

Keisk į gerąją pusę

Štai kaip celiuliozė apibūdinama cheminiais simboliais: struktūrinė formulė kurioje aiškiai matyti ilgos grandinės polimero molekulė, susidedanti iš pasikartojančių gliukozidų liekanų. Atkreipkite dėmesį į „n“, nurodantį didelį jų skaičių.

Beje, Anselmo Payeno sukurta celiuliozės formulė šiek tiek pasikeitė. 1934 m. anglų organinis chemikas, laureatas Nobelio premija Walteris Normanas Haworthas tyrinėjo krakmolo, laktozės ir kitų cukrų, įskaitant celiuliozę, savybes. Atradęs šios medžiagos gebėjimą hidrolizuotis, jis pakoregavo Payeno tyrimus ir celiuliozės formulę papildė reikšme „n“, nurodančia glikozidų likučių buvimą. Šiuo metu tai atrodo taip: (C 5 H 10 O 5) n.

Celiuliozės eteriai

Svarbu, kad celiuliozės molekulėse būtų hidroksilo grupių, kurios gali būti alkilintos ir acilintos, sudarydamos įvairius esterius. Tai dar viena iš svarbiausių celiuliozės savybių. Struktūrinė formulė įvairūs ryšiai gali atrodyti taip:

Celiuliozės eteriai yra paprasti arba sudėtingi. Paprastos yra metilo, hidroksipropilo, karboksimetilo, etilo, metilhidroksipropilo ir cianoetilceliuliozė. Sudėtingi yra nitratai, sulfatai ir celiuliozės acetatai, taip pat acetopropionatai, acetilftalilceliuliozė ir acetobutiratai. Visų šių eterių per metus pagaminama šimtai tūkstančių tonų beveik visose pasaulio šalyse.

Nuo fotojuostos iki dantų pastos

Kam jie skirti? Paprastai celiuliozės eteriai yra plačiai naudojami dirbtinio pluošto, įvairių plastikų, visų rūšių plėvelių (įskaitant fotografijos), lakų, dažų gamyboje, taip pat naudojami karinėje pramonėje kietojo raketinio kuro, bedūmių miltelių gamybai. ir sprogmenų.

Be to, celiuliozės eteriai yra įtraukti į gipso ir gipso-cemento mišinius, audinių dažus, dantų pastas, įvairūs klijai, sintetinis plovikliai, kvepalai ir kosmetika. Žodžiu, jei celiuliozės formulė nebūtų atrasta dar 1838 m. šiuolaikiniai žmonės neturėtų daugelio civilizacijos privalumų.

Beveik dvyniai

Mažai jų paprasti žmonėsžino, kad celiuliozė turi savotišką dvynį. Celiuliozės ir krakmolo formulė yra identiška, tačiau tai yra dvi visiškai skirtingos medžiagos. koks skirtumas? Nepaisant to, kad abi šios medžiagos yra natūralūs polimerai, krakmolo polimerizacijos laipsnis yra daug mažesnis nei celiuliozės. O jei gilinsitės toliau ir palyginsite šių medžiagų struktūras, pamatysite, kad celiuliozės makromolekulės išsidėsčiusios linijiškai ir tik viena kryptimi, taip formuojasi skaidulos, o krakmolo mikrodalelės atrodo kiek kitaip.

Taikymo sritys

Vienas geriausių vaizdinių praktiškai grynos celiuliozės pavyzdžių – įprasta medicininė vata. Kaip žinote, jis gaunamas iš kruopščiai išgrynintos medvilnės.

Antras, ne mažiau naudojamas celiuliozės gaminys – popierius. Tiesą sakant, ji yra ploniausias sluoksnis celiuliozės pluoštai, kruopščiai suspausti ir suklijuoti.

Be to, viskozės audinys gaminamas iš celiuliozės, kuri yra sumaniomis rankomis meistrai stebuklingai virsta gražūs drabužiai, apmušalai skirti minkšti baldai ir įvairios dekoratyvinės draperijos. Viskozė taip pat naudojama gaminant techninius diržus, filtrus ir padangų kordus.

Nepamirškime apie celofaną, kuris gaminamas iš viskozės. Be jo sunku įsivaizduoti prekybos centrus, parduotuves, pašto skyrių pakavimo skyrius. Celofanas yra visur: į jį suvynioti saldainiai, supakuoti dribsniai ir kepiniai, taip pat tabletės, pėdkelnės ir bet kokia įranga, pradedant nuo mobilusis telefonas ir baigiant nuotolinio valdymo pultu nuotolinio valdymo pultas televizoriui.

Be to, gryna mikrokristalinė celiuliozė yra įtraukta į svorio metimo tabletes. Patekę į skrandį, jie išsipučia ir sukuria pilnumo jausmą. Žymiai sumažėja suvartojamo maisto kiekis per dieną ir atitinkamai krenta svoris.

Kaip matote, celiuliozės atradimas padarė tikrą revoliuciją ne tik chemijos pramonėje, bet ir medicinoje.

Šiuo metu pramoninės reikšmės turi tik du celiuliozės šaltiniai – medvilnė ir medienos masė. Medvilnė yra beveik gryna celiuliozė ir nereikalauja sudėtingas apdorojimas tapti pradine medžiaga gamybai dirbtinis pluoštas ir nepluoštinių plastikų. Atskyrus ilgus pluoštus, naudojamus medvilniniams audiniams gaminti, nuo medvilnės sėklos lieka trumpi plaukeliai arba 10–15 mm ilgio „pūkas“ (medvilnės pūkas). Pūkeliai atskiriami nuo sėklos, 2–6 valandas kaitinami slėgiu 2,5–3 % natrio šarmo tirpalu, po to nuplaunami, balinami chloru, vėl nuplaunami ir išdžiovinami. Gautas produktas yra 99% grynos celiuliozės. Išeiga 80 % (masės) pūkų, likusi dalis – ligninas, riebalai, vaškai, pektatai ir sėklų lukštai. Medienos masė dažniausiai gaminama iš medžio medienos spygliuočių rūšys. Jame yra 50–60 % celiuliozės, 25–35 % lignino ir 10–15 % hemiceliuliozės ir neceliuliozinių angliavandenilių. Sulfito procese medžio drožlės verdamos slėgiu (apie 0,5 MPa) 140° C temperatūroje su sieros dioksidu ir kalcio bisulfitu. Tokiu atveju ligninai ir angliavandeniliai patenka į tirpalą, o celiuliozė lieka. Po plovimo ir balinimo išgryninta masė supilama į birų popierių, panašų į blotinginį popierių, ir išdžiovinama. Šią masę sudaro 88–97% celiuliozės ir ji yra gana tinkama cheminiam perdirbimui į viskozės pluoštą ir celofaną, taip pat į celiuliozės darinius - esterius ir eterius.

Celiuliozės regeneravimo iš tirpalo procesą, pridedant rūgšties į koncentruotą vario amoniako (t. y. turinčio vario sulfato ir amonio hidroksido) vandeninį tirpalą, apie 1844 m. aprašė anglas J. Merceris. Tačiau pirmasis pramoninis pritaikymasŠis metodas, padėjęs pamatus vario ir amoniako pluošto pramonei, priskiriamas E. Schweitzeriui (1857), o jo tolesnė plėtra yra M. Kramerio ir I. Schlossbergerio (1858) nuopelnas. Ir tik 1892 m. Cross, Bevin ir Beadle Anglijoje išrado viskozės pluošto gamybos procesą: klampus (iš čia ir pavadinimas viskozė) vandeninis celiuliozės tirpalas buvo gautas, celiuliozę apdorojus stipriu kaustinės sodos tirpalu, kuris davė „sodą“. celiuliozė“, o po to su anglies disulfidu (CS 2), todėl susidaro tirpus celiuliozės ksantatas. Išspaudžiant šio „sukimo“ tirpalo srovę per suktuką su mažu apvali skylė Rūgščių vonioje celiuliozė buvo regeneruota viskozės pluošto pavidalu. Kai tirpalas buvo išspaustas į tą pačią vonią per štampą su siauru plyšiu, buvo gauta plėvelė, vadinama celofanu. J. Brandenbergeris, šia technologija dirbęs Prancūzijoje 1908–1912 metais, pirmasis užpatentavo nepertraukiamą celofano gamybos procesą.

Cheminė struktūra.

Nepaisant plačiai paplitusio pramoninio celiuliozės ir jos darinių naudojimo, šiuo metu priimta cheminė struktūrinė celiuliozės formulė (W. Haworth) buvo pasiūlyta tik 1934 m. Tačiau nuo 1913 m. jos empirinė formulė C 6 H 10 O 5, nustatyta remiantis duomenimis, turi. buvo žinomas kiekybinė analizė gerai išplauti ir išdžiovinti mėginiai: 44,4 % C, 6,2 % H ir 49,4 % O. G. Staudingerio ir K. Freudenbergo darbo dėka taip pat buvo žinoma, kad tai ilgos grandinės polimero molekulė, susidedanti iš tų, kurios parodytos Fig. . 1 pasikartojančios gliukozidų liekanos. Kiekvienas vienetas turi tris hidroksilo grupes – vieną pirminę (– CH 2 CH OH) ir dvi antrines (> CH CH OH). Iki 1920 metų E. Fisheris nustatė paprastų cukrų struktūrą, o tais pačiais metais celiuliozės rentgeno tyrimai pirmą kartą parodė aiškų jos skaidulų difrakcijos modelį. Medvilnės pluošto rentgeno spindulių difrakcijos modelis rodo aiškią kristalinę orientaciją, tačiau linų pluoštas yra dar labiau tvarkingas. Kai celiuliozė regeneruojama į pluošto formą, kristališkumas iš esmės prarandamas. Kaip lengva tai pamatyti pasiekimų šviesoje šiuolaikinis mokslas 1860–1920 m. celiuliozės struktūrinė chemija praktiškai sustojo dėl to, kad visą šį laiką problemos sprendimui reikalingos pagalbinės mokslo disciplinos tebuvo savo pradžioje.

REGENERUOTA CIELIULĖ

Viskozės pluoštas ir celofanas.

Tiek viskozės pluoštas, tiek celofanas yra regeneruota (iš tirpalo) celiuliozė. Išgryninta natūrali celiuliozė apdorojama koncentruoto natrio hidroksido pertekliumi; Pašalinus perteklių, gumuliukai sumalami, o gauta masė laikoma kruopščiai kontroliuojamomis sąlygomis. Dėl šio "senėjimo" polimerų grandinių ilgis mažėja, o tai skatina vėlesnį tirpimą. Tada susmulkinta celiuliozė sumaišoma su anglies disulfidu ir gautas ksantatas ištirpinamas natrio hidroksido tirpale, kad būtų gauta „viskozė“ - klampus tirpalas. Viskozei patekus į vandeninį rūgšties tirpalą, iš jo regeneruojama celiuliozė. Supaprastintos bendros reakcijos yra:

Viskozės pluoštas, gaunamas išspaudžiant viskozę per mažas suktuko skylutes į rūgšties tirpalą, plačiai naudojamas drabužių, draperijų ir apmušalų gamyboje, taip pat technikoje. Nemažai viskozės pluošto sunaudojama techniniams diržams, juostoms, filtrams ir padangų kordui.

Celofanas.

Celofanas, gaunamas išspaudžiant viskozę į rūgšties vonią per suktuką su siaura plyšiu, po to praeina per plovimo, balinimo ir plastifikavimo voneles, perleidžiamas per džiovinimo būgnus ir suvyniojamas į ritinį. Celiofano plėvelės paviršius beveik visada padengtas nitroceliulioze, derva, tam tikru vašku ar laku, kad būtų sumažintas vandens garų pralaidumas ir būtų sudaryta terminio sandarinimo galimybė, nes nepadengtas celofanas neturi termoplastiškumo. Įjungta moderni gamyba naudojamas tam polimerinės dangos polivinilideno chlorido tipo, nes jie yra mažiau pralaidūs drėgmei ir užtikrina patvaresnę jungtį terminio sandarinimo metu.

Celofanas plačiai naudojamas daugiausia pakavimo pramonėje kaip sausų prekių, maisto produktų, tabako gaminių vyniojimo medžiaga, taip pat kaip lipnios pakavimo juostos pagrindas.

Viskozės kempinė.

Viskozę galima sumaišyti su tinkamomis pluoštinėmis ir smulkiai kristalinėmis medžiagomis, ne tik formuojant pluoštą ar plėvelę; Po apdorojimo rūgštimi ir vandens išplovimo šis mišinys paverčiamas viskozės kempinės medžiaga (2 pav.), kuri naudojama pakavimui ir šilumos izoliacijai.

Vario-amoniako pluoštas.

Regeneruotas celiuliozės pluoštas gaminamas pramoniniu mastu taip pat ištirpinant celiuliozę koncentruotame vario-amoniako tirpale (CuSO 4 NH 4 OH) ir gautą tirpalą susukant į pluoštą rūgščių nusodinimo vonioje. Šis pluoštas vadinamas vario amoniako pluoštu.

CELIULIOZĖS SAVYBĖS

Cheminės savybės.

Kaip parodyta pav. 1, celiuliozė yra daug polimerų turintis angliavandenis, sudarytas iš gliukozidinių liekanų C 6 H 10 O 5, sujungtų eterio tilteliais 1, 4 padėtyje. Tris hidroksilo grupes kiekviename gliukopiranozės vienete galima esterinti organiniais agentais, tokiais kaip rūgščių ir rūgšties anhidridų mišinys su tinkamu katalizatoriumi, pavyzdžiui, sieros rūgštimi. Eteriai gali susidaryti veikiant koncentruotam natrio hidroksidui, dėl kurio susidaro sodos celiuliozė ir vėliau reaguoja su alkilo halogenidu:

Reakcijos su etilenu arba propileno oksidu metu susidaro hidroksilintų eterių:

Šių hidroksilo grupių buvimas ir makromolekulės geometrija lemia stiprų polinį abipusį kaimyninių vienetų trauką. Traukos jėgos yra tokios stiprios, kad įprasti tirpikliai nesugeba nutraukti grandinės ir ištirpinti celiuliozę. Šios laisvosios hidroksilo grupės taip pat yra atsakingos už didesnį celiuliozės higroskopiškumą (3 pav.). Esterifikacija ir eterinimas sumažina higroskopiškumą ir padidina tirpumą įprastuose tirpikliuose.

Veikiant vandeniniam rūgšties tirpalui, 1,4 padėtyje esantys deguonies tilteliai nutrūksta. Visiškai nutrūkus grandinei, susidaro gliukozė, monosacharidas. Pradinis grandinės ilgis priklauso nuo celiuliozės kilmės. Natūralioje būsenoje jis yra didžiausias ir mažėja izoliacijos, gryninimo ir pavertimo dariniais junginiais metu ( cm. lentelė).

Net mechaninis šlytis, pavyzdžiui, šlifuojant abrazyviniu būdu, sumažina grandinės ilgį. Kai polimero grandinės ilgis sumažinamas žemiau tam tikros minimalios vertės, pasikeičia makroskopinės celiuliozės fizinės savybės.

Oksidatoriai veikia celiuliozę nesukeldami gliukopiranozės žiedo skilimo (4 pav.). Vėlesnis veiksmas (esant drėgmei, pvz., atliekant klimato testus) paprastai nutrūksta grandinėje ir padidėja į aldehidus panašių galinių grupių skaičius. Kadangi aldehido grupės lengvai oksiduojamos į karboksilo grupes, karboksilo kiekis, kurio natūralioje celiuliozėje praktiškai nėra, atmosferos poveikio ir oksidacijos sąlygomis smarkiai padidėja.

Kaip ir visi polimerai, celiuliozė sunaikinama veikiant atmosferos veiksniams dėl bendro deguonies, drėgmės, rūgščių oro ir oro komponentų veikimo. saulės šviesa. Saulės šviesos ultravioletinis komponentas yra svarbus, o daugelis gerų UV apsauginių medžiagų prailgina celiuliozės darinių produktų tarnavimo laiką. Rūgščių oro komponentų, tokių kaip azoto ir sieros oksidai (ir jų visada yra atmosferos oras pramoninėse zonose) paspartina skilimą, dažnai turintį stipresnį poveikį nei saulės spinduliai. Taigi Anglijoje buvo pažymėta, kad medvilnės mėginiai buvo tiriami dėl poveikio atmosferos sąlygos, žiemą, kai ryškios saulės praktiškai nebuvo, jie degradavo greičiau nei vasarą. Faktas yra tas, kad žiemą deginant didelius anglies ir dujų kiekius ore padidėjo azoto ir sieros oksidų koncentracija. Rūgščių šalikliai, antioksidantai ir UV absorbentai sumažina celiuliozės jautrumą atmosferos poveikiui. Laisvųjų hidroksilo grupių pakeitimas lemia šio jautrumo pasikeitimą: celiuliozės nitratas skaidosi greičiau, o acetatas ir propionatas – lėčiau.

Fizinės savybės.

Celiuliozės polimerų grandinės supakuotos į ilgus ryšulius arba pluoštus, kuriuose kartu su tvarkingais, kristaliniais, yra ir mažiau tvarkingų, amorfinių pjūvių (5 pav.). Išmatuotas kristališkumo procentas priklauso nuo celiuliozės rūšies ir matavimo metodo. Rentgeno spindulių duomenimis, jis svyruoja nuo 70% (medvilnė) iki 38–40% (viskozės pluoštas). Rentgeno struktūrinė analizė suteikia informacijos ne tik apie kiekybinį ryšį tarp kristalinės ir amorfinės medžiagos polimere, bet ir apie pluošto orientacijos laipsnį, kurį sukelia tempimas ar normalūs augimo procesai. Difrakcijos žiedų ryškumas apibūdina kristališkumo laipsnį, o difrakcijos dėmės ir jų ryškumas apibūdina kristalitų pageidaujamos orientacijos buvimą ir laipsnį. Perdirbto celiuliozės acetato mėginyje, pagamintame sauso verpimo būdu, tiek kristališkumo, tiek orientacijos laipsnis yra labai mažas. Triacetato mėginyje kristališkumo laipsnis yra didesnis, tačiau nėra pageidaujamos orientacijos. Triacetato terminis apdorojimas 180–240° temperatūroje

Celiuliozė – kas tai? Šis klausimas kelia nerimą visiems, su kuriais susiduriama organinė chemija. Pabandykime išsiaiškinti pagrindines šio junginio savybes ir jį identifikuoti skiriamieji bruožai, praktinio pritaikymo sritys.

Struktūriniai bruožai

Cheminė celiuliozė turi formulę (C 6 H 10 O 5) p. Tai polisacharidas, kuriame yra β-gliukozės liekanų. Celiuliozei būdinga linijinė struktūra. Kiekviena jo molekulės liekana turi tris OH grupes, todėl šiam junginiui būdingos daugiahidrozės alkoholių savybės. Žiedo aldehido grupės buvimas molekulėje suteikia celiuliozei atkuriamųjų (redukuojančių) savybių. Tai yra būtent tai organinis junginys yra svarbiausias natūralus polimeras, pagrindinis augalo audinio komponentas.

Dideliais kiekiais jo yra linuose, medvilnėje ir kituose pluoštiniuose augaluose, kurie yra pagrindinis celiuliozės pluošto šaltinis.

Techninė celiuliozė išskiriama iš sumedėjusių augalų.

Medienos chemija

Celiuliozės gamyba aptariama šiame atskirame chemijos skyriuje. Būtent čia mes turėtume atsižvelgti į medžio sudėties ypatybes, jo chemines savybes ir fizines savybes, medžiagų analizės ir išskyrimo metodai, medienos ir atskirų jos komponentų apdirbimo procesų cheminė esmė.

Medienos celiuliozė yra polidispersinė, turinti įvairaus ilgio makromolekulių. Polidispersiškumo laipsniui nustatyti naudojamas frakcionavimo metodas. Mėginys suskirstomas į atskiras frakcijas, tada tiriamos jų charakteristikos.

Cheminės savybės

Aptariant, kas yra celiuliozė, būtina atlikti išsamią analizę tam tikro organinio junginio cheminės savybės.

Techninė celiuliozė gali būti naudojama kartono ir popieriaus gamyboje, nes ją galima be problemų chemiškai apdoroti.

Bet kokia technologinė grandinė, susijusi su natūralios celiuliozės perdirbimu, yra skirta išsaugoti vertingąsias jos savybes. Šiuolaikinis celiuliozės apdorojimas leidžia atlikti šios medžiagos tirpinimo procesą ir iš celiuliozės pagaminti visiškai naujas chemines medžiagas.

Kokias savybes turi celiuliozė? Kas yra naikinimo procesas? Šie klausimai įtraukti į mokyklinį organinės chemijos kursą.

Tarp būdingų celiuliozės cheminių savybių yra:

• sunaikinimas;
• susiuvimas;
• reakcijos, kuriose dalyvauja funkcinės grupės.

Sunaikinimo metu pastebimas glikozidinių jungčių makromolekulės grandinės lūžis, kartu sumažėjęs polimerizacijos laipsnis. Kai kuriais atvejais galimas visiškas molekulės plyšimas.

Celiuliozės naikinimo galimybės

Išsiaiškinkime, kokie yra pagrindiniai celiuliozės naikinimo tipai, kas yra makromolekulių plyšimas.

Šiuo metu cheminėje gamyboje išskiriami keli naikinimo tipai.

At mechaninė versija yra tarpas C-C jungtys cikluose, taip pat glikozidinių ryšių sunaikinimas. Panašus procesas vyksta, kai medžiaga yra mechaniškai susmulkinama, pavyzdžiui, šlifuojant, kad būtų pagamintas popierius.

Terminis sunaikinimas vyksta veikiant šiluminei energijai. Būtent šiuo procesu ir yra pagrįsta technologinė medienos pirolizė.

Fotocheminis naikinimas apima makromolekulių sunaikinimą veikiant ultravioletinei spinduliuotei.

Dėl natūralaus polimero sunaikinimo radiacijos tipo, buvimas rentgeno spinduliuotė. Šis naikinimo būdas naudojamas specialiuose įrenginiuose.

Veikiant atmosferos deguoniui, galimas oksidacinis celiuliozės sunaikinimas. Procesui būdingas alkoholio ir aldehido grupių, esančių tam tikrame junginyje, oksidacija vienu metu.

Kai celiuliozė yra veikiama vandens, taip pat vandeninių rūgščių ir šarmų tirpalų, vyksta celiuliozės hidrolizės procesas. Reakcija tikslingai atliekama tais atvejais, kai reikia atlikti kokybinę medžiagos struktūros analizę, tačiau gaminant maistą. šios medžiagos tai nepageidautina.

Mikroorganizmai, tokie kaip grybai, gali biologiškai skaidyti celiuliozę. Norint gauti kokybišką produktą, gaminant popierinius ir medvilninius audinius svarbu užkirsti kelią jo biologiniam sunaikinimui.

Dėl to, kad molekulėse yra dviejų funkcinių grupių, celiuliozė pasižymi daugiahidroalkoholiams ir aldehidams būdingomis savybėmis.

Kryžminės reakcijos

Tokie procesai reiškia galimybę gauti makromolekules su nurodytomis fizinėmis ir cheminėmis savybėmis.

Jie plačiai naudojami pramoninės gamybos celiuliozės, suteikiant jai naujų eksploatacinių savybių.

Šarminės celiuliozės paruošimas

Kas tai per celiuliozė? Apžvalgos rodo, kad ši technologija laikoma seniausia ir labiausiai paplitusi pasaulyje. Šiais laikais polimeras, gaunamas gaminant viskozės pluoštą ir plėveles bei kuriant celiuliozės eterius, yra rafinuojamas panašiu būdu.

Laboratoriniais tyrimais nustatyta, kad po tokio apdorojimo padidėja audinio blizgesys ir padidėja mechaninis stiprumas. Šarminė celiuliozė yra puiki žaliava pluoštams gaminti.

Tokie produktai yra trijų tipų: fizikiniai-cheminiai, struktūriniai, cheminiai. Visi jie yra paklausūs šiuolaikinėje chemijos gamyboje ir naudojami popieriaus bei kartono gamyboje. Sužinojome, kokios struktūros celiuliozė ir koks jos gamybos procesas.