Анализ химических аспектов модификации волокон целлюлозы



В статье представлен анализ процессов химической модификации волок целлюлозы, используемых в производстве бумажной упаковки. Рассмотрены основные методы структурной модификации целлюлозы. Проанализированы достоинства и недостатки существующих способов химической модификации целлюлозы.

Ключевые слова: бумага, целлюлоза, волокна, процессы модификации, свойства

Одним из направлений развития современной химии полимеров является модификация полимеров для получения материалов с новыми, заранее заданными свойствами. Эта задача решается различными путями в зависимости от химической природы полимера, условий его переработки, свойств и областей применения получаемых изделий [1, 2, 5-7].

Целлюлозные волокна по сравнению с синтетическими волокнами обладают как рядом преимуществ (большая гигроскопичность, более высокая термостойкость, лучшие гигиенические свойства, более низкая стоимость), так и рядом существенных недостатков (горючесть, сминаемость, малая устойчивость к действию микроорганизмов, невысокая эластичность).

Основными методами модификации, которые могут быть использованы для устранения указанных недостатков и придания целлюлозе новых ценных свойств, являются структурная и химическая модификации [4, 11, 12].

Методы структурной модификации целлюлозы основаны на направленном изменении взаимного расположения и степени ориентации макромолекул и особенно элементов надмолекулярной структуры в целлюлозном волокне. Такие изменения наблюдаются при обработке целлюлозных волокон растворами щелочей (процесс мерсеризации) [3, 10].

Этими методами можно значительно улучшить механические свойства волокон и пленок, но нельзя придать им новые свойства.

Методы химической модификации основаны на направленном изменении химического состава и строения любого из трех компонентов целлюлозного волокна — целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина — за счет осуществления химических реакций.

Для химической модификации целлюлозы используются все реакции классической химии целлюлозы, но практическое значение имеют следующие процессы:

– реакции этерификации;

– реакции алкилирования;

– привитая сополимеризация.

Процессы этерификации или алкилирования сводятся к частичной замене в макромолекуле целлюлозы гидроксильных групп на ацетильные, метильные, карбоксиметильные, цианэтильные, оксиэтильные и другие. Эти реакции сыграли большую роль в получении разнообразных производных целлюлозы, а также для улучшения бумагообразующих свойств волокон.

Синтез привитых сополимеров является одним из наиболее перспективных методов химической модификации целлюлозы. Для синтеза привитых сополимеров целлюлозы могут быть использованы все методы, применяемые для синтеза других полимеров, но практически перспективным является метод радикальной полимеризации.

При модифицировании целлюлозных волокон следует учитывать следующие особенности:

1. Химические превращения функциональных групп в макромолекуле целлюлозы протекают, как правило, в гетерогенной среде в условиях заторможенной диффузии реагента в волокно, особенно в кристаллические области надмолекулярной структуры целлюлозы.
2. Ацетильные связи между макромолекулами целлюлозы малоустойчивы к действию минеральных кислот, поэтому химические превращения целлюлозы необходимо осуществлять в таких условиях, в которых разрыв ацетильных связей, приводящий к снижению молекулярной массы и ухудшению механических свойств целлюлозных материалов, происходит в минимальной степени.

Известно, что молекулы высокомолекулярных соединений (ВМС) могут быть как цепочечного (целлюлоза, шерсть, шелк), так и глобулярного строения (гемоглобин, некоторые белки). Отличительной чертой ВМС цепочечного строения является их способность образовывать пленки и волокна, т. е. способность проявлять высокую анизотропию свойств. Полимеры, в цепях которых есть полярные функциональные группы -ОН, -СООН, -NН₂ и т.д., характеризуются очень высокой молекулярной когезией и обладают, как правило, высокой механической прочностью, но малым удлинением (целлюлоза, карбамидные смолы, белковые вещества).

Полимеры, имеющие неполярные или слабополярные функциональные группы -СН₃, =СН₂ и т.д. (каучуки и т.д.), наоборот, обладают малой механической прочностью, но большим удлинением. Полярные соединения обладают большей когезионной прочностью, чем неполярные соединения, поэтому они получили широкое применение в качестве клеящих и пленкообразующих материалов.

При нанесении защитных или декоративных полимерных пленок следует учитывать, что полярные полимеры хорошо склеиваются полярными веществами — карбамидными смолами, казеином, мездровым клеем и т.д. Неполярные полимеры хорошо взаимодействуют с неполярными соединениями. Полимеры, в состав которых входят полярные функциональные группы, гигроскопичны и достаточно хорошо впитывают воду. Полимеры, имеющие неполярные группы, не взаимодействуют с водой, но хорошо растворяются в неполярных растворителях. Замена одних групп или атомов в цепи полимера другими приводит к изменению молекулярного взаимодействия [8, 9].

Появление в макромолекулах полярных групп сообщает полимеру большую прочность и хрупкость, но одновременно понижает упруго-эластические свойства и диэлектрические характеристики. Замена функциональных групп с малой длиной (-ОН, -СН₃, -NH₂) группами с большой длиной (-СООН, -ОСОСН₃) снижает прочность полимера, поскольку такие группы более резко раздвигают цепи и тем самым уменьшают энергию их взаимодействия. Чем длиннее вводимая группа, тем заметнее ослабляется полимер.

Полимерам, в макромолекулах которых есть атомы, обладающие высокой окисляющей способностью (фтор, кислород, хлор), присуща повышенная стойкость к действию кислот, щелочей и других агрессивных сред.

Придание ионообменных свойств полимерным материалам осуществляется путем введения в макромолекулу целлюлозы специфичных функциональных групп, обладающих ионообменными свойствами.

Выводы. Существующие методы обработки и переработки бумаги и картона не всегда позволяют менять свойства материала в необходимых пределах. К тому же физико-химические методы обработки не обеспечивают придания композиционному целлюлозному материалу принципиально новых свойств. Тогда как, методы химической модификации целлюлозы позволяют получать на основе модифицированных волокон новые виды бумаг или картонов с заранее заданными потребительскими свойствами. Это позволит значительно расширить спектр применения упаковочных материалов на основе бумаги и картона.

Литература:

1. Аким Э.Л. Синтетические полимеры в бумажной промышленности / Э.Л. Аким. М.: Лесная промышленность. — 1986. — 248 с.
2. Аким Э.Л. Обработка бумаги (основы химии и технологии обработки бумаги и картона). М., 1979.
3. Все о модифицированных крахмалах [Электронный источник]: — Режим доступа: http://kmv.com.ua/vse %20o %20mod1.html
4. Ермаков С.Г., Хакимов Р.Х. Технология бумаги. — Пермь: Пермский гос. Тех. Университет, 2002.
5. Мишурина О.А., Тагаева К.А. Исследование влияния композиционного состава по волокну на влагопрочностные свойства исходного сырья при производстве картонных втулок //Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. — 2013. — Т. 1. № 71. — С. 286-289.
6. Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Муллина Э.Р. Исследование влияния химического состава углеводородной части различных видов целлюлозных волокон на физико-механические свойства бумаг для гофрирования //Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2013.№ 8. С. 52-55.
7. Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Муллина Э.Р., Ершова О.В.Исследование влияния качества исходного сырья на прочностные свойства картонных втулок // Современные проблемы науки и образования. 2014.№ 1. С. 254.
8. Мишурина О.А., Муллина Э.Р., Жерякова К.В., Корниенко Н.Д., Фёдорова Ю.С. Анализ влияния сорбционных свойств бумаги-основы на процесс адгезии при получении различных видов бумажной упаковки // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 6-2. С. 200-202.
9. Мишурина О.А., Муллина Э.Р., Жерякова К.В., Корниенко Н.Д., Фёдорова Ю.С. Перспективы использования влагопрочного картона и гофрокартона на рынке упаковочных материалов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 6-2. С. 203-205.
10. Муллина Э.Р., Мишурина О.А., Чупрова Л.В., Ершова О.В. Влияние химической природы проклеивающих компонентов на гидрофильные и гидрофобные свойства целлюлозных материалов // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 250.
11. Производство модифицированных крахмалов [Электронный ресурс]: Основные направления применения модифицированных крахмалов — Режим доступа: http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/06_syre_i_produkty_promyshlennosti_organicheskikh_i_neorganicheskikh_veshchestv_chast_II/5371
12. MishurinaO.A., MullinaE.R., ChuprovaL.V., ErshovaO.V., ChernyshovaE.P., PermyakovM.B., KrishanA.L. Сhemical aspects of hydrophobization technology for secondary cellulose fibers at the obtaining of packaging papers and cardboards // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10.№ 24. С. 44812-44814.