МОДИФИКАЦИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ЕЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО АНАЛОГА В НИЗКОЗАМЕЩЕННЫЕ ПРОДУКТЫ ЭТЕРИФИКАЦИИ
Аннотация
Для сохранения конкурентоспособности России на мировом рынке стратегически важной задачей производителей высокоэнергетических эфиров целлюлозам является поиск достойной альтернативы хлопковой и сульфитной целлюлозы. Для решения сложившейся проблемы можно указать два приемлемых пути замены традиционного сырья (целлюлозы): на альтернативные легковозобновляемые источники растительного происхождения и на ее синтетические аналоги. Настоящая работа посвящена исследованию возможности использования в качестве прекурсора нитратов целлюлозы двух принципиально разных источников: отходов зернопереработки – плодовых оболочек овса и синтетической целлюлозы, полученной методом электрополимеризации. В результате проведения сравнительного анализа образцов целлюлозы установлено, что образец синтетической целлюлозы характеризуется наиболее высоким качеством и более однородным морфологическим строением целлюлозных волокон, в отличие от образца целлюлозы, выделенного из плодовых оболочек овса. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что обе целлюлозы соответствуют моноклинной фазе целлюлозы Iβ, их степени кристалличности более 60%, а именно: целлюлоза из плодовых оболочек овса – 64,4%, синтетическая целлюлоза – 77,0%. Получены образцы нитратов целлюлозы, характеризующиеся следующими основными свойствами: близкими значениями массовых доли азота – 11,61-11,74%, вязкостью в широком диапазоне – 93-200 мПа·с и одинаковой растворимостью в спиртоэфирной смеси – 91%. Методом растровой электронной микроскопии охарактеризованы морфологические особенности образцов нитратов целлюлозы из обоих источников. Методом ИК-Фурье спектроскопии подтверждено, что синтезированные продукты являются низкозамещенными азотнокислыми эфирами целлюлозы. Рассчитанная двумя способами из рентгеновских дифракционных картин степень кристалличности образца нитратов целлюлозы из плодовых оболочек овса составляет 4,7-10,0%, а образца нитратов целлюлозы из синтетической целлюлозы – 7,0-13,0%, то есть в результате нитрования целлюлоза аморфизируется. Показано, что положения отражений на дифрактограммах кристаллической составляющей образцов нитратов целлюлозы соответствуют литературным данным для псевдоорторомбической фазы тринитрата целлюлозы. Представленные результаты обосновывают целесообразность использования новых альтернативных источников сырья в качестве прекурсора нитратов целлюлозы с предпочтительным выбором синтетической целлюлозы.
Литература
Tarchoun A. F., Trache D., Klapötke T. M., Abdelaziz A., Derradji M., Bekhouche S. Chemical design and characterization of cellulosic derivatives containing high-nitrogen functional groups: towards the next generation of energetic biopolymers. Defence Technol. 2021. 18(4). DOI: 10.1016/j.dt.2021.03.009.
Tarchoun A. F., Trache D., Klapötke T. M., Selmani A., Saada M., Chelouche S., Abdelaziz A. New insensitive high-energy dense biopolymers from giant reed cellulosic fibers: their synthesis, characterization, and non-isothermal decomposition kinetics. NJ. 2021. V. 45(11). P. 5099-5113. DOI: 10.1039/d0nj05484d.
Romanova S.M., Fatykhova L.A. Investigation of reactions of interaction of cellulose nitric esters with carbox-ylic acid chlorides. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 5. P. 30-34 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216405.6313.
Ruihua Tang, Ming Yue Xie, Min Li, Lei Cao, Shangsheng Feng, Zedong Li, Feng Xu. Nitrocellulose mem-brane for paper-based biosensor author links open overlay panel. Appl. Mater. Today. 2022. V. 26. N 101305. DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101305.
Liu P., Fu L., Song Z., Man M., Yuan H., Zheng X., Kang Q., Shen D., Song J., Li B., Chen L. Three dimensionally printed nitrocellulose-based microfluidic plat-form for investigating the effect of oxygen gradient on cells. AN. 2021. V. 146 (17). P. 5255-5263. DOI: 10.1039/d1an00927c.
Tang R., Alam N., Li M., Xie M., Ni Y. Dissolvable sugar barriers to enhance the sensitivity of nitrocellulose membrane lateral flow assay for COVID-19 nucleic acid. Carbohyd. Polym. 2021. V. 268. N 118259. DOI: 10.1016/j.carbpol.2021.118259.
Zhou X., Hao Y., Zhang X., He X., Zhang C. Cellulose-based polymers. Phys. Sci. Rev. 2021. P. 3374–86. DOI: 10.1515/psr-2020-0067.
Tarchoun A.F., Trache D., Klapötke T.M., Khimeche K. Tetrazole-functionalized microcrystalline cellulose: a promising biopolymer for advanced energetic materials. Chem. Eng. J. 2020. N 125960. DOI: 10.1016/j.cej.2020.125960.
Bahloul A., Kassab Z., El Bouchti M., Hannache H., Qaiss, A.E.K., Oumam M., El Achaby M. Micro- and nano-structures of cellulose from eggplant plant (Solanum melongena L) agricultural residue. Carbohyd. Polym. 2021. V. 253. N 117311. DOI: 10.1016/j.carbpol.2020.117311.
Flax in gun-propellant industry. Ed. by S.I. Grigorov М.: FGUP «TshNIIChM». 2015. 348 p. (in Russian).
Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Cellulose nitrates from intermediate flax straw. RUCB. 2016. V. 65. N 12. P. 2920-2924. DOI: 10.1007/s11172-016-1678-3.
Valishina Z.Т., Aleksandrov А.А., Khakimzyanova R.I., Kostochko А.V. A study into the esterification ki-netics of hemp-derived cellulose. Vestn. Tekhnol. Un-ta. 2017. V. 20. N 23. P. 13-16 (in Russian).
Trache D., Khimeche K., Mezroua А., Benziane M. Physicochemical properties of microcrystalline nitro-cellulose from alfa grass fibres and its thermal stability. JTAN. 2016. V. 124(3). P. 1485-1496. DOI: 10.1007/s10973-016-5293-1.
Korchagina А.А., Gismatulina Yu.А., Budaeva V.V., Zolotukhin V.N., Bychin N.V., Sakovich G.V. Miscanthus × giganteus var. KAMIS as a new feedstock for cellulose nitrates. J. Sib. Fed. Univ. Chem. 2020. V. 13(4). P. 565-577. DOI: 10.17516/1998-2836-0206.
Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Nitrocellulose synthesis from Miscanthus cellulose. PEP. 2018. V. 43. P. 96-100. DOI: 10.1002/prep.201700210.
Tarchoun A.F., Trache D., Klapötke T.M., Chelouche S., Derradji M., Bessa W., Mezroua A. A promising en-ergetic polymer from posidonia oceanica Brown Algae: synthesis, characterization, and kinetic modeling. Mac-romol. Chem. Phys. 2019. N 1900358. DOI: 10.1002/macp.201900358.
Chen L., Cao X., Gao J., He W., Liu J., Wang Y., Tan D. Nitrated bacterial cellulose-based energetic nanocom-posites as propellants and explosives for military applica-tions. ACS Appl. Nano Mater. 2021. V. 4(2). P. 1906-1915. DOI: 10.1021/acsanm.0c03263.
Betlej I., Zakaria S., Krajewski K.J., Boruszewski P. Bacterial cellulose – properties and its potential application. Sains Malaysiana. 2021. V. 50(2). P. 493-50. DOI: 10.17576/jsm-2021-5002-20.
Blanco Parte F.G., Santoso S.P., Chou C.-C., Verma V., Wang H.-T., Ismadji S., Cheng, K.-C. Current progress on the production, modification, and applications of bacterial cellulose. Critical Rev. Biotechnol. 2020. P. 1-18. DOI: 10.1080/07388551.2020.1713721.
Venkateshaiah A., Padil V.V., Nagalakshmaiah M., Waclawe S., Cerník M., Varma R.S. Microscopic tech-niques for the analysis of micro and nanostructures of bi-opolymers and their derivatives. Polymers. 2020. V. 12. N 3. P. 512-544. DOI: 10.3390/polym12030512.
Kashcheyeva E.I., Gismatulina Y.A., Budaeva V.V. Pretreatments of non-woody cellulosic feedstocks for bacterial cellulose synthesis. Polymers. 2019. V. 11(10). N 1645. DOI: 10.3390/polym11101645.
Obolenskaya A.V., Elnickaya Z.P., Leonovich A.A. Laboratory work on the chemistry of wood and cellulose. M.: Ecologiya. 1991. 320 p. (in Russian).
Korchagina А.А., Budaeva V.V., Kukhlenko А.А. Es-terification of oat-hull cellulose. RUCB. 2019. V. 68. N 6. P. 1282-1288. DOI: 10.1007/s11172-019-2554-8.
Korchagina A.А., Gismatulina Yu.А., Budaeva V.V., Kukhlenko A.А., Vdovina N.P., Ivanov P.P. Autoclaving cellulose nitrates obtained from fruit shells of oats. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 1. P. 92-98. DOI: 10.6060/ivkkt.20206301.6037.
Sakovich G.V., Budaeva V.V., Korchagina A.A., Gismatulina Yu.A., Kozyrev N.V., Vakutin A.G. Oat-hull cellulose nitrates for explosive compositions. DOCH. 2019. V. 487. P. 2. P. 221-225. DOI: 10.1134/S0012500819080020.
Liu J. Nitrate Esters Chemistry and Technology. Singapore: Springer Nature. 2019. P.469-580. DOI: 10.1007/978-981-13-6647-5_10.
Moniruzzaman M, Bellerby J.M, Mai N. The effect of light on the viscosity and molecular mass of nitrocellu-lose. Polym. Degrad. Stabil. 2011. V. 96. N 5. P. 929-935. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2011.01.026.
