Исследование морфологической структуры, физико-химических и химических характеристик беленой, сульфатной целлюлозы из древесины хвойной

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный

технологический университет растительных полимеров

Кафедра комплексной химической переработки древесины

Курсовая работа

Исследование морфологической структуры, физико-химических и химических характеристик беленой, сульфатной целлюлозы из древесины хвойной породы.

Выполнил:

Студент группы 144                                                                 Иванова В.Н

Проверил

доцент                                                                                          

Санкт-Петербург

2011г.

Содержание

1.      Введение………………………………………………………….….………4

2.      Литературный обзор…………………………………………….…….….…6

3.      Лигнин. Общие понятия о лигнине, строение, свойства; химические реакции лигнина при натронной варке…………………………………..

4.      Методическая часть………………………………………………………..

Оптическая микроскопия…………………………………….………..….

Идентификация целлюлозных волокон из различных растительных тканей……………………………………………………………….…..

Определение породного состава волокон………………………….....

Определение равномерности отбелки целлюлозы………………..….

Определение способа варки…………………………………………...

3.2. Химический и физико-химический анализы…………………………...

3.2.1. Определение степени набухания целлюлозы…………………….…..

3.2.2. Определение влажности высушивания…………………………….....

3.2.3. Определение содержания альфа-целлюлозы……………………..….

3.2.4. Определение средней степени полимеризации целлюлозы……..….

3.2.5. Определение медного числа……………………………………..……

3.2.6. Определение карбоксильных групп ……………………………….…

4. Экспериментальная часть………………………………………….………

4.1. Оптическая микроскопия………………………………………..………

4.1.1.Идентификация волокон из различного растительного сырья……....

4.1.2. Определение породного состава………………………………..……..

4.1.3. Определение равномерности отбелки целлюлозы….……………….

4.1.4. Определение способа варки…………………………………………...

4.2. Химический и физико-химический анализы…………………………...

4.2.1. Определение степени набухания целлюлозы………………………...

4.2.2. Определение влажности древесины…………………………………..

4.2.3. Определение содержания альфа-целлюлозы…………………………

4.2.4. Определение средней степени полимеризации целлюлозы…………

4.2.5. Определение медного числа…………………………………………...

4.2.6. Определение карбоксильных групп…………………………………...

4.2.7. Сводная таблица образца целлюлозы…………………………………

5. Выводы……………………………………………………………………...

5.1. По оптической микроскопии…………………………………………….

5.2. По химическому и физико-химическому анализу……………………..

6. Литература………………………………………………………………….

1. Введение

Древесина представляет собой уникальный, постоянно возобновляемый полимерный композиционный материал, компоненты которого являются высокомолекулярными соединениями. Как сырье, древесина чаще всего используется в качестве топлива, однако существует ещё множество отраслей промышленности, где она находит своё применение. Наиболее крупными являются  производство мебели, картонно-бумажное производство, производство синтетических волокон, получаемых при химической обработке древесниы, фармацевтика, парфюмерное производство, производство пластмасс и лаков, эмульгаторов и загустителей для нефтяной, текстильной пищевой и других отраслей промышленности.

Химической переработкой древесины получают более 20 тысяч наименований различных материалов, продуктов и изделий.

Одной из важнейших отраслей химической переработки древесины является производство технической целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов.

Технической целлюлозой называют целлюлозу, выделенную из природного растительного сырья, древесного и не древесного, удалением нецеллюлозных компонентов. Таким образом, свойства технической целлюлозы изменяются в широких пределах в зависимости от того, насколько полно в процессе химической обработки были отделены сопутствующие вещества. С помощью химических реакций из технической целлюлозы получают различные производные целлюлозы- искусственные полимеры, главным образом, различные сложные и простые эфиры целлюлозы.1

Технические целлюлозы можно подразделить по методам варки. К группе кислотных способов получения целлюлозы из числа применяемых в промышленности относится сульфитная целлюлоза. К группе щелочных способов получения целлюлозы относится сульфатный способ варки. Основные объемы целлюлозы получают сульфатным методом. По всем показателям механической прочности сульфатная целлюлоза превосходит сульфитную при одинаковой степени провара, но в то же время выход сульфатной целлюлозы на  3-4% ниже, чем сульфитной. Хотя первая обладает гораздо лучшими бумагообразующими  свойствами. 

Ниже представлены графики, характеризующие Российский рынок целлюлозной промышленности.

Цель данной работы - исследование морфологической структуры, физико-химических и химических характеристик беленой сульфатной целлюлозы из древесины хвойной породы.

2. Литературный обзор.

Лигнин. Общие понятия о лигнине, строение, свойства; химические реакции лигнина при натронной варке.

2.1Лигнин.Общие понятия о лигнине,строение,свойства

Лигнин представляет собой ароматический полимер сетчатого строения. Лигнин как полимер состоит из фенилпропановых структурных единиц (мономерных составляющих звеньев) - ФПЕ. Лигнин хвойных пород, появившихся в эволюции раньше лиственных, имеет более простое строение и состоит в основном из ФПЕ одного типа - гваяцилпропановых структурных единиц (1). В состав лигнина лиственных пород, кроме гваяцилпропановых единиц, в значительных количествах входят сирингилпропановые единицы (2). В соответствии с основным типом структурных единиц лигнины хвойных пород относятся к гваяцильным лигнинам, а лигнины лиственных пород - к гваяцил - сирингильным лигнинам. Кроме гваяцилпропановых единиц в состав хвойных лигнинов входят в небольшом количестве, а в состав лиственных пород в еще меньшем - n - гидроксифенилпропановые единицы (3). По сравнению с лигнинами древесных пород гидроксифенилпропановые единицы (H-единицы) значительно большую долю составляют в лигнинах однодольных растений (трав, злаков).

Различают природный лигнин (протолигнин) - лигнин, находящийся в древесине, и препараты лигнина - лигнины, выделенные из древесины. Природный лигнин в древесине неоднороден. Основная его масса имеет трехмерную сетчатую структуру и вследствие этого не растворяется в растворителях. Для перевода природного лигнина в растворимое состояние с целью удаления (делигнификации) или выделения из древесины (получения растворимого препарата) требуется разрушение сетки с помощью довольно жесткого химического воздействия («химическое растворение»). Как у всех сетчатых полимеров, понятие макромолекулы для природного лигнина теряет смысл.

Среди выделенных лигнинов различают препараты нерастворимых и растворимых лигнинов. Нерастворимые лигнины сохраняют сетчатую структуру. Растворимые лигнины, представляющие собой фрагменты сетки, имеют разветвленную структуру с высокой степенью разветвленности и неоднородных по молекулярной массе.

Любой лигнин, как лиственный, так и хвойных древесных пород, представляет собой гетерополимер. Лигнин имеет высокую степень химической неоднородности. Разветвленные макромолекулы растворимых лигнинов и протяженные участки цепей в сетчатой структуре, в отличие от таких важнейших биополимеров растительных и животных тканей, как целлюлоза и белки, имеют нерегулярное строение.

Лигнин - это органический гетероцепной кислородосодержащий полимер, но в отличие от полисахаридов, относящихся к полиацеталям, у лигнина отсутствует единый тип связи между мономерными звеньями. В структурных единицах лигнина содержатся различные полярные группы и в том числе способные к ионизации (кислые) фенольные гидроксилы и в небольшом числе карбоксильные группы, вследствие чего лигнин является полярным полимером, проявляющим свойства полиэлектролита. Лигнин - аморфный полимер, как природный, так и выделенный. Из - за высокой степени разветвленности макромолекулы выделенных растворимых лигнинов имеют глобулярную форму и такие препараты представляют собой порошки. В лигнине, благодаря наличию большого числа гидроксильных и других полярных групп, значительно развиты водородные связи (внури- и межмолекулярные).

Лигнин очень рано образуется в растительных клетках. В первые дни после отделения новой клетки ксилемы от камбиальной , клеточная стенка ещё не содержит лигнина. Через сравнительно небольшой период времени клеточные стенки начинают давать качественные реакции на лигнин. Процесс лигнификации имеет большое значение для жизни дерева и сыграл важную роль в эволюции растений. Лигнин придает механическим волокнам и проводящим элементам растений, живущих на суше, необходимые жесткость и гидрофобность клеточных стенок. Благодаря лигнину и возникли на Земле древесные формы растений. В процессе образования лигнина одновременно возникают химические ковалентные и межмолекулярные, в том числе водородные, связи лигнина с углеводами - гемицеллюлозами, и таким образом строится лигнин - гемицеллюлозная матрица, в которой заключены микрофибриллы целлюлозы.

Лигнин чувствителен даже к сравнительно мягким обработкам. Поэтому он претерпевает значительные изменения при выделении.

При выделении лигнина из древесины с целью получения препаратов лигнина для исследования его строения, свойств и механизмов его реакций древесину предварительно измельчают до опилок или муки. Измельченную древесину освобождают от экстрактивных веществ экстрагированием органическими растворителями, обычно спирто - толуольной смесью.

Щелочные лигнины, получаемые при сульфатной и натронной варках, можно выделить из отработанных варочных растворов, обрабатывая их углекислотой или другими более сильными кислотами. Однако основная масса щелочных лигнинов на производстве не выделяется, а идет на сжигание при регенерации химикатов.К техническим щелочным лигнинам следует также отнести талловый лигнин и шлам - лигнин. Талловый лигнин образуется как отход производства таллового масла из сульфатного мыла. Шлам - лигнин выделяется при очистке сточных вод сульфатцеллюлозного производства.

В ходе сульфитных варок лигнин сульфируется и переходит в варочный раствор в виде солей лигносульфоновых кислот - лигносульфонатов. Лигносульфонаты могут быть выделены из раствора обработкой солями, кислотами, органическими растворителями и различными ароматическими азотосодержащими соединениями.

Гидролизный лигнин получают в качестве остатка от гидролиза растительного сырья. Поэтому он неоднороден по размеру частиц и химическому составу.

Все связи в лигнине подразделяют на две группы: кислород - углеродные (простые эфирные) связи С-О-С ; углерод - углеродные связи С-С. В лигнине возможны три типа соединения: «голова к хвосту» связь пропановой цепи с бензельным кольцом другой структурной единицы), “хвост к хвосту» (связь между бензельными кольцами), «голова к голове» (связь между пропановыми цепями).

1) Простые эфирные связи.

У лигнина возможны три типа простых эфирных связей: алкил-О-арил (связи алкиларилового простого эфира); арил-О-арил (связи диарилового эфира); алкил-О-алкил (связи диалкилового эфира)

1. связи алкил-О-арил (схема 4).

Основным видом связи в лигнине является связь алкил-О-арил-О-4 в димерных структурах типа- арилового эфира гваяцилглицерина(4.1). Небольшая доля связей-О-4 присутствует в структурах с вытесненными пропановыми цепями(4.2), содержащими несопряженные карбонильные группы.

Связь алкил-О-арил-О-4 присутствует в структурах нециклического бензилового эфира (4. 3), а также в структурах циклического бензилового эфира совместно с углерод - углеродной связью-5. В лигнинах лиственных пород доля структур нециклического бензилового эфира выше, чем в лигнинах хвойных. В-положении простыми эфирными или сложноэфирными связями могут быть присоединены полиозы ( гемицеллюлозы и пектины) в виде структур V (4.4) В качестве второстепенных допускают связи-О-4.

2. Связи арил-О-арил (схема 5)

Структуры диариловых простых эфиров составляют сравнительно небольшую долю (около 0,04 на ФПЕ) в лигнинах хвойных, главным образом со связями 4-О-5 (5.1) и малым числе со связями 4-О-1 (5.2). В отношении лиственных лигнинов результаты более противоречивы - доля структур от 0,01 до 0,06 на ФПЕ.

3. Связи алкил-О-алкил

Структуры со связями диалкиловых эфиров-О-и-О-присутствуют в лигнине совместно с углерод - углеродной связью-(схема 6.1). Кроме того допускают существование связей-О-в комбинациях с другими связями.

Простые эфирные связи в лигнине, а также связи лигнина с гемицеллюлозами способны к сольвалитической деструкции, в часности к гидролитической. В лигнинах в небольшом числе присутствуют сложноэфирные связи в-положении (схема 6.2)

2) Углерод - углеродные связи.

Как и для простых эфирных эфирных связей в лигнине возможны три типа углерод - углеродных связей: алкил-арил (алкиларильные); арил-арил (диарильные); алкил-алкил (диалкильные). Углерод - углеродные связи устойчивы к сольволитической деструкции.