Свойства целлюлозы
Целлюлоза (франц. cellulose, от лат. cellula, букв. комнатка, здесь - клетка), полисахарид - линейный-глюкан [полиглюкопиранозил-D-глюкопираноза] общей формулылы [С6Н7О2(ОН)3]N. Один из наиб. распространенных биополимеров, входящий в состав клеточных (отсюда назв.) стенок растений и микроорганизмов (некоторые из них, а также отд. виды беспозвоночных - черви, древоточцы благодаря ферменту целлюлазе, расщепляющему целлюлозу, могут ее усваивать). Мировой объем ежегодного прироста 104-105 т. Содержание целлюлозы (% по массе) в волокнах семян хлопчатника 95-98, лубяных 60-85, тканях древесины 40-44, низших растениях 10-25. Строение. Элементарное звено макромолекулы целлюлозы находится в конформации кресла с экваториально расположенными группами ОН и СН2ОН.
Теоретически рассчитанная конформация макромолекулы целлюлозы - жесткая спираль, стабилизированная внутримолекулярными водородными связями. Целлюлоза имеет ряд структурных модификаций, из которых наиболее важны модификации I-IV и X (ЦI-ЦIV и ЦХ). Структура ЦI - модификация природной целлюлозы. Структура ЦII - т. наз. гидратцеллюлоза (см. Гидратцеллюлозные волокна), образующаяся при регенерации целлюлозы из ее производных (напр., сложных эфиров, щелочной целлюлозы), растворении и послед. осаждении целлюлозы из р-ра; ЦIII образуется при обработке ЦI или ЦII жидким NH3 либо безводным этиламином; ЦIV получают обработкой ЦI или ЦII при повышенной т-ре глицерином, водой либо водными р-рами щелочей; ЦХ - обработкой ЦI 38 - 40,3%-ной НС1 при 20°С, нейтрализацией массы с одновременным повышением температуры до 95 °С, промывкой, вытеснением воды ацетоном и сушкой. Основа надмолекулярной структуры целлюлозы - элементарные высокоупорядоченные фибриллы. Последние ассоциированы в агрегаты (микрофибриллы - содержат нескольких сотен макромолекул; размеры в поперечном направлении от 4 до 10-20 нм), образующие матрицу, мол. структура к-рой значительно менее упорядочена, чем структура фибрилл.
Целлюлоза - типичное аморфно-кристаллическое вещество. Поэтому в целлюлозе в продольном направлении наряду со структурами с трехмерным дальним порядком (кристаллитами) сохраняются аморфные области. По данным электронной микроскопии, длина кристаллитов от 20-85 (гидратцеллюлозные волокна) до 65-220 нм (волокна природной целлюлозы). Распределение по длине и ММР - мультимодальное и зависит от вида целлюлозы и условий ее получения. Объемное содержание в образце кристаллических областей, или степень кристалличности, составляет соотв. в хлопковом волокне, древесной целлюлозе и целлюлозе искусств. волокон 70-83, 64-74 и 35-40%. Аморфные области целлюлозы неоднородны, что подтверждается множественностью изофазных температурных переходов. Развитая капиллярно-пористая структура целлюлозы включает: внутрифибриллярные нерегулярности упаковки (размер 1,5 нм); межфибриллярные поры (1,5-10 нм); поры, возникающие как результат внутреннее. напряжений (неск. десятков нм); каналы и поры диаметром несколько мкм (волокна природной целлюлозы).
Свойства. Целлюлоза - белое волокнистое в-во с длиной волокон более 20 мм (текстильные волокна) и 3 мм (волокна для производства бумаги и картона, хим. переработки). Плотностью 1,52-1,54 г/см3; т. различают 210 °С: степень полимеризации от нескольких сотен до 10-14 тыс. Растворение в сравнительно ограниченном числе растворителей - водных смесях комплексных соединений гидроксидов переходных металлов (Сu, Cd, Ni) с NH3 и аминами, некоторых минеральных (H2SO4, Н3РО4) и органических (трифторуксусная) компонентах, аминоксидах, некоторых системах (напр., натрийжелезовинный комплекс - аммиак - щелочь, ДМФА - N2O4). Медноаммиачные растворы целлюлозы используют для формования гидратцеллюлозных волокон и пленок.
Химические свойства целлюлозы определяются наличием гликозидных связей между элементарными звеньями и групп ОН. Гликозидная связь в целлюлозе неустойчива в условиях кислотного гидролиза и сольволиза. Исчерпывающий гидролиз (до глюкозы) с послед. сбраживанием лежит в основе промышленного получения этанола. При гетерогенном гидролизе параметр п снижается до некоторого постоянного значения (предельное значение степени полимеризации после гидролиза), что обусловлено завершением гидролиза аморфной фазы. При гидролизе хлопковой целлюлозы до предельного значения получают легкосыпучий белоснежный порошок - микрокристаллическую целлюлозу (степень кристалличности 70-85%; средняя длина кристаллитов 7 - 10 нм), при диспергировании к-рой в воде образуется тиксотропный гель. При ацетолизе целлюлоза превращается в восстанавливающий дисахарид целлобиозу (ф-ла I) и ее олигомергомологи.
Термическая деструкция целлюлозы начинается при 150 °С и приводит к выделению низкомолекулярные соединения (Н2, СН4, СО, спирты, карбоновые к-ты, карбонильные производные и др.) и продуктов более сложного строения. Направление и степень разложения определяются типом структурной модификации, степенями кристалличности и полимеризации. Выход одного из основных продуктов деструкции - левоглюкозана изменяется от 60-63 (хлопковая целлюлоза) до 4-5% по массе (вискозные волокна). При т-ре св. 300 °С происходит пиролиз с образованием продуктов карбонизации. Карбонизация и графитация ЦII (вискозные волокна) используются при получении углеродных волокон. При облучении образца светом с длиной волны < 200 нм протекает фотохимическая деструкция целлюлозы, в результате к-рой снижается степень полимеризации, увеличиваются полидисперсность, содержание карбонильных и карбоксильных групп. целлюлоза биополимер химический
Действие на целлюлозу окислителей приводит гл. обр. к неизбирательному окислению спиртовых и карбонильных групп до карбоксильных, сопровождающемуся деструкцией целлюлозы. Окисление О2 воздуха в щелочной среде, при к-ром скорость разрушения не целлюлозных компонентов выше скорости окисления целлюлозы, является одним из эффективных способов отбеливания технической целлюлозы. На использовании окислительной деструкции в щелочной среде основана одна из стадий производства вискозных волокон и простых эфиров целлюлозы (предсозревание щелочной целлюлозы); как побочная эта реакция протекает при отбеливании целлюлозы и ее облагораживании. Некоторые окислители (периодат Na, тетраацетат Pb, N2O4) отличаются высокой избирательностью по отношению к гидроксильным группам у атомов С-2 и С-3; при их действии идет одновременное окисление этих групп ОН с разрывом кольца и образованием диальдегида. При взаимодействии целлюлозы с водными р-рами щелочей образуется щелочная целлюлоза-кристаллический комплекс целлюлозы, щелочи и воды; стехиометрической состав и параметры кристаллической решетки комплекса зависят от концентрации раствора щелочи и температуры. Обработка целлюлоза 18-20%-ными водными растворами NaOH - одна из основных стадий (мерсеризация) при производстве вискозных волокон. По активности в реакциях, протекающих в щелочной среде, группы ОН располагаются в ряд: ОНС-2 > ОНС-6 > ОНС-3. В кислой среде, где главным фактором является стерическая доступность, наиболее реакционноспособна группа ОН у атома С-6. К наиболее важным реакциям целлюлоза относятся реакции получения ее простых (карбоксиметилцеллюлоза, метилцеллюлоза, оксиэтилцеллюлоза, цианэтилцеллюлоза, этилцеллюлоза и др.) и сложных (целлюлозы ацетаты, целлюлозы нитраты, а также ксантогенаты, сульфаты и др.) эфиров. При этом основными способами перевода целлюлозы в растворимое или термопластичное состояние являются О-алкирование и этерификация (см. также Целлюлозы эфиры). Для направленного изменения эластичных свойств материалов на основе целлюлозы ее обрабатывают р-рами или эмульсиями меламина, эпоксисоединений, гидроксиметильных производных карбамида, что обеспечивает придание тканям эффекта малосминаемости.
Получение. Выделение технической целлюлозы из растит. сырья, гл. обр. древесины, осуществляется ее варкой с различными хим. реагентами. Под их воздействием происходит удаление из природного материала лигнина, гемицеллюлоз и др. не целлюлозных компонентов. Получаемые целлюлозы в зависимости от выхода (% от массы исходного сырья) делятся на полуцеллюлозу (60-80), целлюлозу высокого выхода (50-60), целлюлозу нормального выхода (40-50). Технологическую схема производства целлюлозы из древесины включает: распиловку сырья, удаление коры, рубку в щепу и ее сортировку, варку целлюлозы в щелоке, удаление отработанного щелока, очистку, сушку и резку готового продукта. Основные методы варки целлюлозы: сульфатный (преим.), сульфитный, натронный, азотнокислый; кроме того, используют комбинированные методы (содово-сульфитный и содово-сульфитно-сульфатный), а также кислородно-щелочную делигнификацию древесины Применение. Целлюлозу используют для изготовления различных сортов бумаги (в т. ч. бумаги фотографической)и картона, хим. переработки на искусств, волокна (ацетатные волокна, вискозные волокна, медноаммиачные волокна), пластмассы (эт-ролы), пленки полимерные, кино - и фотопленки, лаки и эмали, бездымный порох, моющие средства и пр.
Похожие статьи
-
Введение, Классификация Фенолов, Физические свойства фенола, Химические свойства - Синтез фенола
Фенол химический синтез Целью данной курсовой работы является изучение способов синтеза фенолов, в частности фенола. Свойства фенолов специфичны, поэтому...
-
Попадание в окружающую среду, Ртуть и природная среда - Ртуть: свойства и токсичность
Ртуть и природная среда В соединениях ртути основным действующим компонентом является сама ртуть. При попадании в окружающую среду, ртуть может за счет...
-
Химические свойства меди - Медь
В виде простого вещества медь обладает характерной красноватой окраской. Медь металл мягкий и пластичный. По электро - и теплопроводности медь уступает...
-
Химические свойства кремнийорганических полимеров - Кремнийорганические полимеры
Силоксаны содержат два или более атомов кремния, связанных посредством одного или нескольких атомов кислорода: Два атома кремния, связанные таким...
-
1. Спирты реагируют со щелочными металлами (Na, K и т. д.) с образованием алкоголятов: 2R--OH + 2Na 2R--ONa + H2 Реакция протекает не так бурно, как при...
-
Химические свойства Алюминия. - Третья группа периодической системы
Внешняя электронная оболочка атома Алюминия состоит из 3 электронов и имеет строение 3s23р1. В обычных условиях Алюминий в соединениях 3-валентен, но при...
-
Отдельные представители насыщенных углеводородов - Химические свойства насыщенных углеводородов
Метан - бесцветный газ, не имеющий запаха. В природе образуется в результате различных процессов брожения. Так, он получается при гниении клетчатки...
-
Химические свойства алюминия и его соединений - Алюминий и его свойства
Алюминий легко взаимодействует с кислородом при обычных условиях и покрыт оксидной пленкой (она придает матовый вид). I. Взаимодействие с простыми...
-
Все волокнистые материалы различного происхож-дения, известные на сегодняшний день, могут служить полуфабри-катом для производства бумаги и картона....
-
Технологический процесс изготовле-ния бумаги (картона) включает следующие основные операции: Аккумулирование бумажной массы; разбавление ее водой до...
-
Химические свойства золота - Золото: свойства и получение
Золото (Au, от латинского Aurum) - химический элемент 1-й группы периодической системы таблицы Менделеева, атомный номер 79, атомная масса 196,9665....
-
Бромистый этил представляет бесцветную прозрачную жидкость, обладающую эфирным запахом и сначала сладким, потом жгучим вкусом. Кипит при 38,4°С. В воде...
-
Как делают бумагу в наши дни - Бумага. Классификация бумаги, ее свойства
Начальным звеном в технологической цепочке изготовления бумаги служит открытый склад древесного сырья, называемый лесной биржей. Такие склады есть у...
-
Химические свойства, Физиологическое воздействие - Золото
Золото -- самый инертный металл, стоящий в ряду напряжений правее всех других металлов, при нормальных условиях оно не взаимодействует с большинством...
-
Физико-химические свойства хрома - Хром. Элемент периодической системы химических элементов
Хром является серебристо-белым, твердым, блестящим, но в то же время довольно хрупким металлом. Ранее считалось, что хром практически не обладает...
-
Германиевая кислота, Водородные соединения германия - Свойства германия
H4GeO4 (H2GeO3-H2O) - метагерманиевая кислота. В свободном виде (как и мономерные кислородные кислоты углерода и кремния) не получена. При подкислении...
-
Особенности азота - Свойства азота
У атома азота на один электрон больше, чем у атома углерода; согласно правилу Гунда, этот электрон занимает последнюю вакантную 2р-орбиталь. Атом азота в...
-
Химические свойства спиртов - Спирты и фенолы
Ряд химических свойств спиртов является общим для всех спиртов; имеются также и реакции, по-разному протекающие для первичных, вторичных и третичных...
-
РАЗЛИЧНЫЕ УРОВНИ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ИНФОРМАЦИИ - Информация, ее виды и свойства
Ранее мы неоднократно употребляли термин "информация", никак его при этом не раскрывая. Понятие информация является одним из фундаментальных в...
-
Получение спиртов - Химические свойства и характеристики спиртов
Некоторые из показанных выше реакций (рис. 6,9,10) обратимы и при изменении условий могут протекать в противоположном направлении, приводя к получению...
-
Методы получения и химические свойства спиртов - Типы связей в органической химии
Спирты - это производные углеводородов, в которых один или несколько атомов водорода замещены на соответствующее число гидроксильных групп (-ОН). Общая...
-
Как было отмечено в обзоре литературы, привитые сополимеры на основе крахмала с успехом пользуются в качестве суперсорбентов воды, т. е. в качестве...
-
Винилхлорид -- достаточно активное химическое соединение, чьи химические свойства определяются как наличием двойной связи, так и атома хлора. Наибольший...
-
Крахмал сополимер гель акриловый В данном обзоре литературы рассмотрены наиболее значимые работы, выполненные за последние годы, по физической и...
-
(Обзор литературы) Карбоксиметилкрахмал: получение и свойства Путем химической модификации крахмала получено большое число простых и сложных эфиров...
-
ВВЕДЕНИЕ - Функциональные полимеры на основе крахмала и изучение их физико-химических свойств
Природный полимер крахмал имеет уникальные свойства, а его производные во многих областях применения могут конкурировать с производными целлюлозы,...
-
При изучении реакций замещения в бензольном кольце было обнаружено, что если в нем уже содержится какой-либо заместитель, то в зависимости от его...
-
Синтез фуллеренов - История открытия фуллеренов, их свойства
Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении твердых графитовых образцов. Фактически, это были следы...
-
Электрофизические свойства. - Физические, химические свойства и способы получения кремния
Элементарный кремний в монокристаллической форме является непрямозонным. Ширина запрещенной зоны при комнатной температуре составляет 1,12 эВ, а при Т =...
-
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГАЛЛИЯ. ПРИМЕНЕНИЕ - Химические элементы главной подгруппы III группы
По химическим свойствам галлий сходен с алюминием. На воздухе Ga покрывается оксидной пленкой, предохраняющей от дальнейшего окисления. С мышьяком,...
-
Анализ литературы показывает, что к настоящему времени разработаны методы биологического обезвреживания различных органических нитратсоединений. В...
-
Способы получения - Свойства графена
Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит. Сначала плоские куски графита...
-
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА - Никель глазами химика
Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень тверд, вязкий и ковкий, хорошо полируется, притягивается магнитом, проявляя...
-
МЛЭ - один из современных и много обещающих технологических методов выращивания тонких монокристаллических полупроводниковых структур. Для осаждения...
-
Химические свойства - Благородные газы и их свойства
В 1962 году Бартлетт, изучая свойства гексафторида платины, соединения более активного, чем сам фтор, установил, что потенциал ионизации у ксенона ниже,...
-
Химические свойства Галлия. - Третья группа периодической системы
На воздухе при обычной температуре Галлий стоек. Выше 260° С в сухом кислороде наблюдается медленное окисление (пленка оксида защищает металл). В серной...
-
Химические свойства. Образование ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму - Аммиак
1. Аммиак - основание Льюиса. Его раствор в воде (аммиачная вода, нашатырный спирт) имеет щелочную реакцию (лакмус - синий; фенолфталеин - малиновый)...
-
Физика низких температур, Низкие температуры - Свойства веществ при низких температурах
Низкие температуры Низкие температуры, криогенные температуры, обычно температуры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (около 80 К). Такие...
-
Окисление органического вещества, Получение хлорной воды, Окисление фосфора - Свойства галогенов
При направлении струи хлора из газоотводной трубки на бумагу, смоченную скипидаром мы наблюдаем С10H16 + 8Cl2 > 10C + 16HCl Вывод: Окисление...
-
На холоду даже дымящаяся серная кислота (олеум) почти не действует на предельные углеводороды, но при высокой температуре она может их окислять. При...
Свойства целлюлозы