Zastosowanie celulozy. Wielka encyklopedia ropy i gazu

CELULOZA
włókno, główny materiał budulcowy świata roślin, tworzący ściany komórkowe drzew i innych roślin wyższych. Najczystszą naturalną formą celulozy są włosie nasion bawełny.
Oczyszczanie i izolacja. Obecnie tylko dwa źródła celulozy mają znaczenie przemysłowe – bawełna i celuloza drzewna. Bawełna to prawie czysta celuloza i nie wymaga skomplikowanej obróbki, aby stać się materiałem wyjściowym do produkcji włókien sztucznych i tworzyw sztucznych niewłóknistych. Po oddzieleniu od nasion bawełny długich włókien używanych do produkcji tkanin bawełnianych pozostają krótkie włoski, czyli „kłaczki” (puch bawełniany) o długości 10–15 mm. Włókna oddziela się od nasion, ogrzewa pod ciśnieniem z 2,5-3% roztworem wodorotlenku sodu przez 2-6 godzin, następnie przemywa, wybiela chlorem, ponownie przemywa i suszy. Powstały produkt to w 99% czysta celuloza. Wydajność wynosi 80% (wagowo) kłaczków, resztę stanowi lignina, tłuszcze, woski, pektyniany i łuski nasion. Masę drzewną najczęściej wytwarza się z drewna drzew iglastych. Zawiera 50-60% celulozy, 25-35% ligniny i 10-15% hemiceluloz oraz węglowodorów niecelulozowych. W procesie siarczynowym zrębki gotuje się pod ciśnieniem (około 0,5 MPa) w temperaturze 140°C z dwutlenkiem siarki i wodorosiarczynem wapnia. W tym przypadku ligniny i węglowodory przechodzą do roztworu, a pozostaje celuloza. Po umyciu i wybieleniu oczyszczoną masę odlewa się na luźny papier przypominający bibułę i suszy. Masa ta składa się w 88-97% z celulozy i nadaje się do chemicznego przetworzenia na włókno wiskozowe i celofan, a także pochodne celulozy - estry i etery. Proces regeneracji celulozy z roztworu poprzez dodanie kwasu do jej stężonego wodnego roztworu miedziowo-amonowego (czyli zawierającego siarczan miedzi i wodorotlenek amonu) opisał Anglik J. Mercer około 1844 roku. Jednak pierwsze przemysłowe zastosowanie tej metody, które zaznaczyło się początek przemysłu włókien miedziowo-amonowych przypisuje się E. Schweitzerowi (1857), a jego dalszy rozwój to zasługa M. Kramera i I. Schlossbergera (1858). I dopiero w 1892 roku Cross, Bevin i Beadle w Anglii wynaleźli proces wytwarzania włókna wiskozowego: lepki (stąd nazwa wiskoza) wodny roztwór celulozy otrzymywano po uprzednim potraktowaniu celulozy mocnym roztworem sody kaustycznej, co dało „sodę celuloza”, a następnie dwusiarczkiem węgla (CS2), w wyniku czego powstaje rozpuszczalny ksantogenian celulozy. Przez przeciśnięcie strumienia tego „wirującego” roztworu przez dyszę przędzalniczą z małym okrągłym otworem do kąpieli kwasowej, celulozę regenerowano w postaci włókna sztucznego jedwabiu. Po wyciśnięciu roztworu do tej samej kąpieli przez matrycę z wąską szczeliną otrzymano folię zwaną celofanem. J. Brandenberger, który pracował nad tą technologią we Francji od 1908 do 1912 roku, jako pierwszy opatentował ciągły proces wytwarzania celofanu.
Struktura chemiczna. Pomimo powszechnego przemysłowego zastosowania celulozy i jej pochodnych, obecnie przyjęty chemiczny wzór strukturalny celulozy został zaproponowany (W. Haworth) dopiero w 1934 r. Jednakże od 1913 r. znany jest jej wzór empiryczny C6H10O5, wyznaczony na podstawie analizy ilościowej dobrze- próbki umyte i wysuszone: 44,4% C, 6,2% H i 49,4% O. Dzięki pracom G. Staudingera i K. Freudenberga wiadomo było również, że jest to długołańcuchowa cząsteczka polimeru, składająca się z cząsteczek pokazanych na ryc. 1 powtarzające się reszty glukozydowe. Każda jednostka ma trzy grupy hydroksylowe – jedną pierwszorzędową (-CH2CHOH) i dwie drugorzędowe (>CHCHOH). Do 1920 roku E. Fisher ustalił strukturę cukrów prostych i w tym samym roku badania rentgenowskie celulozy po raz pierwszy wykazały wyraźny wzór dyfrakcyjny jej włókien. Dyfrakcja promieni rentgenowskich włókna bawełnianego wykazuje wyraźną orientację krystaliczną, ale włókno lniane jest jeszcze bardziej uporządkowane. Kiedy celuloza jest regenerowana do postaci włókien, krystaliczność jest w dużej mierze tracona. Jak łatwo zauważyć w świetle osiągnięć współczesnej nauki, chemia strukturalna celulozy praktycznie zatrzymała się w latach 1860–1920, ponieważ przez cały ten czas pomocnicze dyscypliny naukowe niezbędne do rozwiązania problemu pozostawały w powijakach.

REGENEROWANA CELULOZA
Włókno wiskozowe i celofan. Zarówno włókno wiskozowe, jak i celofan to celuloza regenerowana (z roztworu). Oczyszczoną naturalną celulozę traktuje się nadmiarem stężonego wodorotlenku sodu; Po usunięciu nadmiaru grudki są mielone, a powstałą masę przechowuje się w ściśle kontrolowanych warunkach. Wraz z tym „starzeniem” długość łańcuchów polimeru maleje, co sprzyja późniejszemu rozpuszczaniu. Następnie rozdrobnioną celulozę miesza się z dwusiarczkiem węgla i powstały ksantogenian rozpuszcza się w roztworze wodorotlenku sodu, otrzymując „wiskozę” – lepki roztwór. Gdy wiskoza dostanie się do wodnego roztworu kwasu, regeneruje się z niej celuloza. Uproszczone reakcje całkowite to:

Włókno wiskozowe, otrzymywane przez przeciśnięcie wiskozy przez małe otwory dyszy przędzalniczej do kwaśnego roztworu, znajduje szerokie zastosowanie w produkcji tkanin odzieżowych, draperiowych i obiciowych, a także w technologii. Znaczące ilości włókna wiskozowego wykorzystuje się do produkcji pasów technicznych, taśm, filtrów i kordów oponowych.
Celofan. Celofan, otrzymywany przez wyciśnięcie wiskozy do kąpieli kwasowej przez dyszę przędzalniczą z wąską szczeliną, następnie przechodzi przez kąpiele piorące, wybielające i uplastyczniające, przepuszczany jest przez bębny suszące i zwijany w rulon. Powierzchnia folii celofanowej jest prawie zawsze pokryta nitrocelulozą, żywicą, jakimś rodzajem wosku lub lakieru, aby zmniejszyć przenikanie pary wodnej i zapewnić możliwość zgrzewania, ponieważ niepowlekany celofan nie ma właściwości termoplastyczności. W nowoczesnej produkcji stosuje się do tego powłoki polimerowe typu polichlorku winylidenu, ponieważ są one mniej przepuszczalne dla wilgoci i zapewniają trwalsze połączenie podczas zgrzewania. Celofan ma szerokie zastosowanie głównie w przemyśle opakowaniowym jako materiał do pakowania towarów suchych, spożywczych, wyrobów tytoniowych, a także jako baza do samoprzylepnej taśmy pakowej.
Gąbka wiskozowa. Oprócz tworzenia włókna lub folii wiskozę można mieszać z odpowiednimi materiałami włóknistymi i drobnokrystalicznymi; Po zakwaszeniu i ługowaniu wodą mieszanina ta przekształca się w wiskozowy materiał gąbczasty (rys. 2), który służy do pakowania i izolacji termicznej.

Włókno miedziano-amoniakalne. Regenerowane włókno celulozowe produkowane jest również na skalę przemysłową poprzez rozpuszczenie celulozy w stężonym roztworze miedzi i amoniaku (CuSO4 w NH4OH) i przędzenie powstałego roztworu do włókna w kwaśnej kąpieli strącającej. Włókno to nazywane jest włóknem miedziowo-amoniakalnym.
WŁAŚCIWOŚCI CELULOZY
Właściwości chemiczne. Jak pokazano na ryc. 1, celuloza jest wysoce polimerycznym węglowodanem składającym się z reszt glukozydowych C6H10O5 połączonych mostkami eterowymi w pozycji 1,4. Trzy grupy hydroksylowe w każdej jednostce glukopiranozy można estryfikować środkami organicznymi, takimi jak mieszanina kwasów i bezwodników kwasowych, z odpowiednim katalizatorem, takim jak kwas siarkowy. Etery mogą powstawać w wyniku działania stężonego wodorotlenku sodu, prowadzącego do powstania sodycelulozy i późniejszej reakcji z halogenkiem alkilu:

Reakcja z tlenkiem etylenu lub propylenu wytwarza hydroksylowane etery:

Obecność tych grup hydroksylowych i geometria makrocząsteczki decydują o silnym polarnym wzajemnym przyciąganiu sąsiednich jednostek. Siły przyciągania są tak duże, że zwykłe rozpuszczalniki nie są w stanie rozerwać łańcucha i rozpuścić celulozy. Te wolne grupy hydroksylowe odpowiadają także za większą higroskopijność celulozy (rys. 3). Estryfikacja i eteryzacja zmniejszają higroskopijność i zwiększają rozpuszczalność w zwykłych rozpuszczalnikach.

Pod wpływem wodnego roztworu kwasu mostki tlenowe w pozycji 1,4 ulegają zerwaniu. Całkowite przerwanie łańcucha powoduje powstanie glukozy, monosacharydu. Początkowa długość łańcucha zależy od pochodzenia celulozy. Jest ona maksymalna w stanie naturalnym i maleje w procesie izolacji, oczyszczania i konwersji do związków pochodnych (patrz tabela).

STOPIEŃ POLIMERYZACJI CELULOZY
Materiał Liczba reszt glukozydowych
Surowa bawełna 2500-3000
Oczyszczone włókna bawełniane 900-1000
Rafinowana masa celulozowa 800-1000
Regenerowana celuloza 200-400
Przemysłowy octan celulozy 150-270

Nawet ścinanie mechaniczne, np. podczas szlifowania ściernego, prowadzi do zmniejszenia długości łańcucha. Kiedy długość łańcucha polimeru zmniejsza się poniżej pewnej wartości minimalnej, makroskopowe właściwości fizyczne celulozy ulegają zmianie. Utleniacze oddziałują na celulozę, nie powodując rozszczepienia pierścienia glukopiranozowego (ryc. 4). Późniejsze działania (w obecności wilgoci, np. podczas testów klimatycznych) zwykle powodują rozerwanie łańcucha i wzrost liczby aldehydopodobnych grup końcowych. Ponieważ grupy aldehydowe łatwo utleniają się do grup karboksylowych, zawartość karboksylu, który jest praktycznie nieobecny w naturalnej celulozie, gwałtownie wzrasta w warunkach wpływów atmosferycznych i utleniania.

Podobnie jak wszystkie polimery, celuloza ulega zniszczeniu pod wpływem czynników atmosferycznych w wyniku połączonego działania tlenu, wilgoci, kwaśnych składników powietrza i światła słonecznego. Ultrafioletowy składnik światła słonecznego jest ważny, a wiele dobrych środków ochronnych przed promieniowaniem UV zwiększa żywotność produktów pochodnych celulozy. Kwaśne składniki powietrza, takie jak tlenki azotu i siarki (które zawsze występują w powietrzu atmosferycznym na terenach przemysłowych), przyspieszają rozkład, często działając silniej niż światło słoneczne. I tak w Anglii zauważono, że próbki bawełny badane pod kątem narażenia na warunki atmosferyczne zimą, gdy praktycznie nie było jasnego światła słonecznego, ulegały degradacji szybciej niż latem. Faktem jest, że spalanie zimą dużych ilości węgla i gazu powodowało wzrost stężenia tlenków azotu i siarki w powietrzu. Zmiatacze kwasów, przeciwutleniacze i pochłaniacze UV zmniejszają wrażliwość celulozy na warunki atmosferyczne. Podstawienie wolnych grup hydroksylowych prowadzi do zmiany tej wrażliwości: azotan celulozy rozkłada się szybciej, a octan i propionian wolniej.
Właściwości fizyczne.Łańcuchy polimeru celulozowego upakowane są w długie pęczki, czyli włókna, w których obok uporządkowanych, krystalicznych znajdują się również odcinki mniej uporządkowane, amorficzne (rys. 5). Zmierzony procent krystaliczności zależy od rodzaju celulozy i metody pomiaru. Według danych rentgenowskich waha się od 70% (bawełna) do 38-40% (włókno wiskozowe). Rentgenowska analiza strukturalna dostarcza informacji nie tylko o ilościowej zależności pomiędzy materiałem krystalicznym i amorficznym w polimerze, ale także o stopniu orientacji włókien spowodowanym rozciąganiem lub normalnymi procesami wzrostu. Ostrość pierścieni dyfrakcyjnych charakteryzuje stopień krystaliczności, a plamki dyfrakcyjne i ich ostrość charakteryzują obecność i stopień preferowanej orientacji krystalitów. W próbce octanu celulozy pochodzącej z recyklingu, wyprodukowanej w procesie przędzenia na sucho, zarówno stopień krystaliczności, jak i orientacji są bardzo małe. W próbce trioctanu stopień krystaliczności jest wyższy, ale nie ma preferowanej orientacji. Obróbka cieplna trioctanu w temperaturze 180-240°C znacznie zwiększa stopień krystaliczności, a orientacja (poprzez rozciąganie) w połączeniu z obróbką cieplną daje najbardziej uporządkowany materiał. Len charakteryzuje się wysokim stopniem krystaliczności i orientacji.
Zobacz też
CHEMIA ORGANICZNA;
PAPIER I INNE MATERIAŁY PISEMNE;
TWORZYWA SZTUCZNE.

Ryż. 5. STRUKTURA MOLEKULARNA celulozy. Łańcuchy molekularne przechodzą przez kilka miceli (obszarów krystalicznych) o długości L. Tutaj A, A” i B” są końcami łańcuchów leżącymi w obszarze skrystalizowanym; B jest końcem łańcucha poza obszarem skrystalizowanym.

LITERATURA
Bushmelev V.A., Volman N.S. Procesy i aparatura do produkcji celulozy i papieru. M., 1974 Celuloza i jej pochodne. M., 1974 Akim E.L. i inne Technologia przetwórstwa i przetwórstwa celulozy, papieru i tektury. L., 1977

Encyklopedia Colliera. - Społeczeństwo otwarte. 2000 .

Złożony węglowodan z grupy polisacharydów wchodzący w skład ściany komórkowej roślin nazywany jest celulozą lub błonnikiem. Substancję odkrył w 1838 roku francuski chemik Anselme Payen. Wzór celulozy to (C 6 H 10 O 5) n.

Struktura

Pomimo wspólnych cech celuloza różni się od innego polisacharydu roślinnego – skrobi. Cząsteczka celulozy jest długim, wyłącznie nierozgałęzionym łańcuchem sacharydów. W przeciwieństwie do skrobi, która składa się z reszt α-glukozy, zawiera wiele połączonych ze sobą reszt β-glukozy.

Ze względu na gęstą liniową strukturę cząsteczek tworzą one włókna.

Ryż. 1. Struktura cząsteczki celulozy.

Celuloza ma wyższy stopień polimeryzacji niż skrobia.

Paragon

W warunkach przemysłowych celulozę wytapia się z drewna (wiórki). W tym celu stosuje się odczynniki kwasowe lub zasadowe. Na przykład wodorosiarczyn sodu, wodorotlenek sodu, ług.

W wyniku gotowania powstaje celuloza z domieszką związków organicznych. Aby go wyczyścić, użyj roztworu alkalicznego.

Właściwości fizyczne

Błonnik jest pozbawioną smaku, białą, stałą substancją włóknistą. Celuloza jest słabo rozpuszczalna w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych. Rozpuszcza się w odczynniku Schweitzera - amoniakalnym roztworze wodorotlenku miedzi (II).

Podstawowe właściwości fizyczne:

niszczone w temperaturze 200°C;
pali się w temperaturze 275°C;
samozapala się w temperaturze 420°C;
topi się w temperaturze 467°C.

W naturze celuloza występuje w roślinach. Powstaje podczas fotosyntezy i pełni funkcję strukturalną w roślinach. Jest dodatkiem do żywności E460.

Ryż. 2. Ściana komórkowa roślin.

Właściwości chemiczne

Dzięki obecności trzech grup hydroksylowych w jednym sacharydzie błonnik wykazuje właściwości alkoholi wielowodorotlenowych i może wchodzić w reakcje estryfikacji tworząc estry. Rozkładany bez tlenu rozkłada się na węgiel drzewny, wodę i lotne związki organiczne.

Główne właściwości chemiczne błonnika przedstawiono w tabeli.

*Reakcja*	*Opis*	*Równanie*
Hydroliza	Występuje po podgrzaniu w kwaśnym środowisku z utworzeniem glukozy	(C 6 H 10 O 5) n + nH 2 O (t°, H 2 SO 4) → nC 6 H 12 O 6
Z bezwodnikiem octowym	Tworzenie triacetylocelulozy w obecności kwasów siarkowego i octowego	(C 6 H 10 O 5) n + 3nCH 3 COOH (H 2 SO 4) → (C 6 H 7 O 2 (OCOCH 3) 3) n + 3nH 2 O
Nitrowanie	Reaguje ze stężonym kwasem azotowym w zwykłej temperaturze. Tworzy się ester – azotan celulozy lub piroksylina, używany do produkcji bezdymnego proszku	(C 6 H 10 O 5) n + nHNO 3 (H 2 SO 4) → n
	Całkowite utlenienie następuje do dwutlenku węgla i wody	(C 6H 10 O 5) n + 6nO 2 (t°) → 6nCO 2 + 5nH 2 O

Ryż. 3. Piroksylina.

Celuloza wykorzystywana jest głównie do produkcji papieru, a także do produkcji estrów, alkoholi i glukozy.

Czego się nauczyliśmy?

Celuloza lub błonnik to polimer z klasy węglowodanów, składający się z reszt β-glukozy. Część ścian komórkowych roślin. Jest to biała, pozbawiona smaku substancja tworząca włókna słabo rozpuszczalne w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych. Celuloza jest izolowana z drewna poprzez gotowanie. Związek ulega reakcjom estryfikacji i hydrolizy i może rozkładać się pod nieobecność powietrza. Po całkowitym rozkładzie tworzy wodę i dwutlenek węgla.

Przedmioty codziennego użytku, które są nam znane, a które spotykamy wszędzie w życiu codziennym, nie można sobie wyobrazić bez użycia organicznych produktów chemicznych. Na długo przed Anselmem Payem, dzięki któremu w 1838 roku udało mu się odkryć i opisać polisacharyd, który otrzymał „celulozę” (pochodną francuskiej celulozy i łacińskiego słowa cellula, co oznacza „komórka, komórka”), właściwość ta tej substancji aktywnie wykorzystano do produkcji rzeczy najbardziej niezastąpionych.

Pogłębianie wiedzy na temat celulozy doprowadziło do powstania szerokiej gamy wyrobów z niej wytwarzanych. Produkty produkcji i przetwarzania celulozy to różnego rodzaju papier, tektura, części z tworzyw sztucznych i sztucznej wiskozy, miedź-amoniak, folie polimerowe, emalie i lakiery, detergenty, dodatki do żywności (E460), a nawet proch bezdymny.

W czystej postaci celuloza jest białą substancją stałą o dość atrakcyjnych właściwościach i jest wysoce odporna na różne wpływy chemiczne i fizyczne.

Natura wybrała celulozę (włókno) jako główny materiał budowlany. W świecie roślin stanowi podstawę dla drzew i innych roślin wyższych. W naturze celuloza występuje w najczystszej postaci we włoskach nasion bawełny.

O wyjątkowych właściwościach tej substancji decyduje jej pierwotna budowa. Wzór celulozy ma ogólny zapis (C6H10O5)n, z którego wynika wyraźna struktura polimeru. Reszta β-glukozy, która powtarza się ogromną liczbę razy i ma bardziej rozwiniętą formę jako -[C6H7O2(OH)3]-, łączy się w długą liniową cząsteczkę.

Wzór cząsteczkowy celulozy określa jej unikalne właściwości chemiczne, aby wytrzymać działanie agresywnego środowiska. Celuloza jest również bardzo odporna na ciepło, nawet w temperaturze 200 stopni Celsjusza substancja zachowuje swoją strukturę i nie zapada się. Samozapłon następuje w temperaturze 420°C.

Celuloza jest nie mniej atrakcyjna ze względu na swoje właściwości fizyczne. celuloza w postaci długich nitek zawierająca od 300 do 10 000 reszt glukozy bez rozgałęzień bocznych w dużej mierze decyduje o wysokiej stabilności tej substancji. Wzór glukozy pokazuje, ile daje włóknom celulozowym nie tylko dużą wytrzymałość mechaniczną, ale także wysoką elastyczność. Wynikiem analitycznej obróbki wielu eksperymentów i badań chemicznych było stworzenie modelu makrocząsteczki celulozy. Jest to sztywna helisa o skoku 2-3 jednostek elementarnych, która jest stabilizowana wewnątrzcząsteczkowymi wiązaniami wodorowymi.

To nie formuła celulozy, ale stopień jej polimeryzacji jest główną cechą wielu substancji. Tak więc w nieprzetworzonej bawełnie liczba reszt glukozydowych sięga 2500-3000, w oczyszczonej bawełnie - od 900 do 1000, oczyszczona masa celulozowa ma wskaźnik 800-1000, w celulozie regeneracyjnej ich liczba jest zmniejszona do 200-400, a w celulozie przemysłowej octan waha się od 150 do 270 „połączeń” w cząsteczce.

Produktem używanym do otrzymywania celulozy jest głównie drewno. Główny proces technologiczny produkcji polega na gotowaniu zrębków drzewnych przy użyciu różnych odczynników chemicznych, a następnie oczyszczaniu, suszeniu i cięciu gotowego produktu.

Późniejsza obróbka celulozy pozwala na otrzymanie różnorodnych materiałów o określonych właściwościach fizykochemicznych, pozwalających na wytworzenie szerokiej gamy produktów, bez których trudno sobie wyobrazić życie współczesnego człowieka. Unikalna formuła celulozy, dostosowana poprzez obróbkę chemiczną i fizyczną, stała się podstawą do produkcji materiałów nie mających sobie równych w przyrodzie, co pozwoliło na ich szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym, medycynie i innych gałęziach działalności człowieka.

Obecnie tylko dwa źródła celulozy mają znaczenie przemysłowe – bawełna i celuloza drzewna. Bawełna to prawie czysta celuloza i nie wymaga skomplikowanej obróbki, aby stać się materiałem wyjściowym do produkcji włókien sztucznych i tworzyw sztucznych niewłóknistych. Po oddzieleniu od nasion bawełny długich włókien używanych do produkcji tkanin bawełnianych pozostają krótkie włoski, czyli „kłaczki” (puch bawełniany) o długości 10–15 mm. Włókna oddziela się od nasion, ogrzewa pod ciśnieniem przez 2–6 godzin z 2,5–3% roztworem wodorotlenku sodu, następnie przemywa, wybiela chlorem, ponownie myje i suszy. Powstały produkt to w 99% czysta celuloza. Wydajność wynosi 80% (wagowo) kłaczków, resztę stanowi lignina, tłuszcze, woski, pektyniany i łuski nasion. Masę drzewną najczęściej wytwarza się z drewna drzew iglastych. Zawiera 50–60% celulozy, 25–35% ligniny i 10–15% hemiceluloz oraz węglowodorów niecelulozowych. W procesie siarczynowym zrębki gotuje się pod ciśnieniem (około 0,5 MPa) w temperaturze 140°C z dwutlenkiem siarki i wodorosiarczynem wapnia. W tym przypadku ligniny i węglowodory przechodzą do roztworu, a pozostaje celuloza. Po umyciu i wybieleniu oczyszczoną masę odlewa się na luźny papier przypominający bibułę i suszy. Masa ta składa się z 88–97% celulozy i nadaje się do chemicznego przetworzenia na włókno wiskozowe i celofan, a także pochodne celulozy - estry i etery.

Proces regeneracji celulozy z roztworu poprzez dodanie kwasu do jej stężonego wodnego roztworu miedziowo-amonowego (czyli zawierającego siarczan miedzi i wodorotlenek amonu) opisał Anglik J. Mercer około 1844 roku. Jednak pierwsze przemysłowe zastosowanie tej metody, które zaznaczyło się początek przemysłu włókien miedziowo-amonowych przypisuje się E. Schweitzerowi (1857), a jego dalszy rozwój to zasługa M. Kramera i I. Schlossbergera (1858). I dopiero w 1892 roku Cross, Bevin i Beadle w Anglii wynaleźli proces wytwarzania włókna wiskozowego: lepki (stąd nazwa wiskoza) wodny roztwór celulozy otrzymywano po uprzednim potraktowaniu celulozy mocnym roztworem sody kaustycznej, co dało „sodę celuloza”, a następnie dwusiarczkiem węgla (CS 2), w wyniku czego powstaje rozpuszczalny ksantogenian celulozy. Przez przeciśnięcie strumienia tego „wirującego” roztworu przez dyszę przędzalniczą z małym okrągłym otworem do kąpieli kwasowej, celulozę regenerowano w postaci włókna sztucznego jedwabiu. Po wyciśnięciu roztworu do tej samej kąpieli przez matrycę z wąską szczeliną otrzymano folię zwaną celofanem. J. Brandenberger, który pracował nad tą technologią we Francji od 1908 do 1912 roku, jako pierwszy opatentował ciągły proces wytwarzania celofanu.

Struktura chemiczna.

Pomimo powszechnego przemysłowego zastosowania celulozy i jej pochodnych, obecnie przyjęty chemiczny wzór strukturalny celulozy został zaproponowany (W. Haworth) dopiero w 1934 r. Jednak od 1913 r. jej wzór empiryczny C 6 H 10 O 5, wyznaczony na podstawie analizy ilościowej, znane są dobrze umyte i wysuszone próbki: 44,4% C, 6,2% H i 49,4% O. Dzięki pracom G. Staudingera i K. Freudenberga wiadomo było również, że jest to długołańcuchowa cząsteczka polimeru składająca się z tych pokazany na ryc. 1 powtarzające się reszty glukozydowe. Każda jednostka ma trzy grupy hydroksylowe – jedną pierwszorzędową (– CH 2 CH OH) i dwie drugorzędne (> CH CH OH). Do 1920 roku E. Fisher ustalił strukturę cukrów prostych i w tym samym roku badania rentgenowskie celulozy po raz pierwszy wykazały wyraźny wzór dyfrakcyjny jej włókien. Dyfrakcja promieni rentgenowskich włókna bawełnianego wykazuje wyraźną orientację krystaliczną, ale włókno lniane jest jeszcze bardziej uporządkowane. Kiedy celuloza jest regenerowana do postaci włókien, krystaliczność jest w dużej mierze tracona. Jak łatwo zauważyć w świetle osiągnięć współczesnej nauki, chemia strukturalna celulozy praktycznie zatrzymała się w latach 1860–1920, ponieważ przez cały ten czas pomocnicze dyscypliny naukowe niezbędne do rozwiązania problemu pozostawały w powijakach.

REGENEROWANA CELULOZA

Włókno wiskozowe i celofan.

Zarówno włókno wiskozowe, jak i celofan to celuloza regenerowana (z roztworu). Oczyszczoną naturalną celulozę traktuje się nadmiarem stężonego wodorotlenku sodu; Po usunięciu nadmiaru grudki są mielone, a powstałą masę przechowuje się w ściśle kontrolowanych warunkach. Wraz z tym „starzeniem” długość łańcuchów polimeru maleje, co sprzyja późniejszemu rozpuszczaniu. Następnie rozdrobnioną celulozę miesza się z dwusiarczkiem węgla i powstały ksantogenian rozpuszcza się w roztworze wodorotlenku sodu, otrzymując „wiskozę” – lepki roztwór. Gdy wiskoza dostanie się do wodnego roztworu kwasu, regeneruje się z niej celuloza. Uproszczone reakcje całkowite to:

Celofan.

Celofan, otrzymywany przez wyciśnięcie wiskozy do kąpieli kwasowej przez dyszę przędzalniczą z wąską szczeliną, następnie przechodzi przez kąpiele piorące, wybielające i uplastyczniające, przepuszczany jest przez bębny suszące i zwijany w rulon. Powierzchnia folii celofanowej jest prawie zawsze pokryta nitrocelulozą, żywicą, jakimś rodzajem wosku lub lakieru, aby zmniejszyć przenikanie pary wodnej i zapewnić możliwość zgrzewania, ponieważ niepowlekany celofan nie ma właściwości termoplastyczności. W nowoczesnej produkcji stosuje się do tego powłoki polimerowe typu polichlorku winylidenu, ponieważ są one mniej przepuszczalne dla wilgoci i zapewniają trwalsze połączenie podczas zgrzewania.

Celofan ma szerokie zastosowanie głównie w przemyśle opakowaniowym jako materiał do pakowania towarów suchych, spożywczych, wyrobów tytoniowych, a także jako baza do samoprzylepnej taśmy pakowej.

Gąbka wiskozowa.

Oprócz tworzenia włókna lub folii wiskozę można mieszać z odpowiednimi materiałami włóknistymi i drobnokrystalicznymi; Po zakwaszeniu i ługowaniu wodą mieszanina ta przekształca się w wiskozowy materiał gąbczasty (rys. 2), który służy do pakowania i izolacji termicznej.

Włókno miedziano-amoniakalne.

Regenerowane włókno celulozowe produkowane jest również na skalę przemysłową poprzez rozpuszczenie celulozy w stężonym roztworze miedzi i amoniaku (CuSO4 w NH4OH) i przędzenie powstałego roztworu do włókna w kwaśnej kąpieli strącającej. Włókno to nazywane jest włóknem miedziowo-amoniakalnym.

WŁAŚCIWOŚCI CELULOZY

Właściwości chemiczne.

Jak pokazano na ryc. 1, celuloza jest wysokopolimerowym węglowodanem składającym się z reszt glukozydowych C 6 H 10 O 5 połączonych mostkami eterowymi w pozycji 1,4. Trzy grupy hydroksylowe w każdej jednostce glukopiranozy można estryfikować środkami organicznymi, takimi jak mieszanina kwasów i bezwodników kwasowych, z odpowiednim katalizatorem, takim jak kwas siarkowy. Etery mogą powstawać w wyniku działania stężonego wodorotlenku sodu, prowadzącego do powstania sodycelulozy i późniejszej reakcji z halogenkiem alkilu:

Reakcja z tlenkiem etylenu lub propylenu wytwarza hydroksylowane etery:

Utleniacze oddziałują na celulozę, nie powodując rozszczepienia pierścienia glukopiranozowego (ryc. 4). Późniejsze działania (w obecności wilgoci, np. podczas testów klimatycznych) zwykle powodują rozerwanie łańcucha i wzrost liczby aldehydopodobnych grup końcowych. Ponieważ grupy aldehydowe łatwo utleniają się do grup karboksylowych, zawartość karboksylu, który jest praktycznie nieobecny w naturalnej celulozie, gwałtownie wzrasta w warunkach wpływów atmosferycznych i utleniania.

Właściwości fizyczne.

Łańcuchy polimeru celulozowego upakowane są w długie pęczki, czyli włókna, w których obok uporządkowanych, krystalicznych znajdują się również odcinki mniej uporządkowane, amorficzne (rys. 5). Zmierzony procent krystaliczności zależy od rodzaju celulozy i metody pomiaru. Według danych rentgenowskich waha się od 70% (bawełna) do 38–40% (włókno wiskozowe). Rentgenowska analiza strukturalna dostarcza informacji nie tylko o ilościowej zależności pomiędzy materiałem krystalicznym i amorficznym w polimerze, ale także o stopniu orientacji włókien spowodowanym rozciąganiem lub normalnymi procesami wzrostu. Ostrość pierścieni dyfrakcyjnych charakteryzuje stopień krystaliczności, a plamki dyfrakcyjne i ich ostrość charakteryzują obecność i stopień preferowanej orientacji krystalitów. W próbce octanu celulozy pochodzącej z recyklingu, wyprodukowanej w procesie przędzenia na sucho, zarówno stopień krystaliczności, jak i orientacji są bardzo małe. W próbce trioctanu stopień krystaliczności jest wyższy, ale nie ma preferowanej orientacji. Obróbka cieplna trioctanu w temperaturze 180–240°

Do czego wykorzystuje się celulozę?

Celuloza jest główny materiał konstrukcyjny stosowany w świecie roślin. Tworzy ściany komórkowe roślin wyższych, takich jak drzewa. Nadaje roślinie elastyczność. Celuloza jest produkowana przez rośliny na własne potrzeby. Jego skład jest identyczny jak cukru – celuloza składa się z węgla, tlenu i wodoru. Wszystkie te pierwiastki występują także w wodzie i powietrzu. Już w szkole wszyscy wiedzą, że pod wpływem słońca na liściach tworzy się cukier. Zjawisko to nazywa się fotosyntezą. Cukier rozpuszcza się w soku rośliny i rozprzestrzenia się na wszystkie jej części. Cukier jest wykorzystywany przez roślinę głównie do wzrostu i regeneracji w przypadku jakichkolwiek problemów, ale pewna ilość cukru zamienia się w celulozę.

Celuloza – jest produktem naturalnym i można go uzyskać wyłącznie w sposób naturalny, nie jest syntetyzowany sztucznie. Najczystszą formą celulozy są włosie nasion bawełny. Obecnie celulozę uzyskuje się wyłącznie z dwóch rodzajów surowców naturalnych – bawełny i pulpy drzewnej. Bawełna nie wymaga skomplikowanej obróbki, aby zostać przetworzona na włókna sztuczne i tworzywa sztuczne niewłókniste. Proces otrzymywania celulozy z bawełny przebiega w następujący sposób: najpierw z nasion bawełny oddziela się długie włókna, z których w rzeczywistości powstają tkaniny bawełniane. Następnie pozostają „kłaczki” lub puch bawełniany, czyli krótkie włosy o długości nie większej niż 15 mm. Po oddzieleniu włókien bawełny włókna są podgrzewane pod ciśnieniem przez dwie do sześciu godzin. W tym przypadku stosuje się również 3% roztwór wodorotlenku sodu. Następnie powstały materiał przemywa się i wybiela chlorem, a następnie ponownie przemywa i suszy. Rezultatem jest celuloza, której czystość wynosi 99%. To najczystsza celuloza.

Z pulpy drzewnej powstaje celuloza, która jest „bardziej brudna” – zawiera nie więcej niż 97% czystej celulozy. Miazga drzewna wytwarzana jest z drzew iglastych. Zrębki drzewne gotuje się pod ciśnieniem przez dodanie dwutlenku siarki i wodorosiarczynu wapnia. Do roztworu uwalniane są ligniny i węglowodory, z których składa się około połowa masy celulozowej. W rezultacie powstały materiał po umyciu, wybieleniu i oczyszczeniu okazuje się być czymś podobnym do luźnego papieru. Materiał ten zawiera od 80 do 97% celulozy. Uzyskana w ten sposób celuloza może być wykorzystana do produkcji włókna wiskozowego i celofanu. Ponadto otrzymuje się z niego również estry i etery.

Ludzie wykorzystują celulozę w różnych gałęziach przemysłu, np. ubrania są wykonane z bawełny, ale bawełna składa się w 99,8% z naturalnej celulozy. Aby otrzymać wybuchową piroksylinę, wystarczy przeprowadzić reakcję chemiczną - nałożyć na bawełnę kwas azotowy i siarkowy.

Ludzie wykorzystują również celulozę do odżywiania. Wchodzi w skład wielu roślin jadalnych - sałaty, selera. Otręby zawierają dużą ilość celulozy niezbędnej dla organizmu człowieka. Chociaż celuloza nie może być przetwarzana przez ludzki układ pokarmowy, jest czymś w rodzaju „pasażu objętościowego”. Ponadto po przetworzeniu celuloza może służyć do otrzymywania takich produktów jak baza do klisz fotograficznych, dodatek do lakierów i różnych tworzyw sztucznych.