CC BY
1
- Химические науки -ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ЩЕЛОЧНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ МЕТОДАМИ РЭМ И.С. Линьков, студент
Каменский технологический институт (филиал) Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова (Россия, г. Каменск-Шахтинский)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-10-3-89-92
Аннотация. Рассмотрено влияние щелочной обработки на структуру древесной целлюлозы. Представлены результаты исследований морфологии и элементного состава целлюлозы до и после щелочной обработки. Методами электронной и оптической микроскопии показано, что в процессе обработки щелочью NaOH возрастает пористость поверхности целлюлозных волокон. С помощью рентгеновского микроанализа установлено, что количество лигнина в образцах щелочной целлюлозы уменьшается, обеспечивая улучшение реакционной способности целлюлозы.
Ключевые слова: целлюлоза, щелочность, морфология, структура, микроскопия.
Щелочная целлюлоза образуется при воздействии на целлюлозу едкого натра в процессе мерсеризации. Из нее получают карбок-симетилцеллюлозу (КМЦ) путем обработки щелочной целлюлозы монохлоруксусной кислотой. КМЦ широко применяется в нефтеперерабатывающей, строительной, пищевой промышленности. В значительной мере качество формируемой КМЦ зависит от морфологических и структурных особенностей целлюлозного сырья. Модификации целлюлозного сырья посвящен ряд работ. Рассмотрено влияние механической активации на структуру древесной целлюлозы, показано, что реакционная способность целлюлозного сырья при этом возрастает [1-3]. Наиболее действенно структура целлюлозы меняется в результате химической модификации волокон [4]. Традиционно при синтезе КМЦ, на первом этапе используют щелочную обработку целлюлозы водным раствором NaOH. Особенности набухания и модификации целлюлозных волокон зависят от количества щелочи, и для разного растительного сырья (хлопок, травянистое,
древесное сырье) отличаются. В настоящей работе для обработки целлюлозы древесного происхождения использован водный раствор щелочи NaOH с концентрацией 13%. Эта концентрация согласно работе [5] близка к нижней пороговой и выгодна с точки зрения сокращения материальных затрат.
В настоящей работе проведен сравнительный анализ образца исходной целлюлозы и целлюлозы, подвергнутой обработке щелочью NaOH (13% раствор) для выявления изменения морфологии и структуры в процессе мерсеризации.
Результаты исследования: Морфологические особенности образцов целлюлозы исследовали с помощью оптического микроскопа ADFU300 Каменского технологического института (филиала) им. М.И. Платова и электронного микроскопа Quanta 200 ЦКП «Нано-технологии» ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова. Элементный состав образцов определяли с помощью системы рентгеновского микроанализа EDAX Genesis XVS 30.
а б
Рис. 1. Волокна исходной целлюлозы: а- х10; б- РЭМ- изображение
Результаты оптической и РЭМ-микроскопии исходного порошка целлюлозы древесного происхождения представлены на рисунке 1. Толщина волокон достигает 60 мкм, длина волокон от 200 мкм до 1000 мкм. Тип волокон - либриформ. Волокна
шероховатые, плоские, имеются отдельные поры. Результаты рентгеновского микроанализа исходной целлюлозы показаны на рисунке 2. В составе регистрируются углерод, кислород. Водород как элемент «легкий» прибором не определяется.
6.66К
S.92K
5.18К
1МК
3.70К
2.96К
Z.2ZK
1.4SK
0.74К
D.00K ' 0.0
0
Element Weight % Atomic %
С 45,5 52,7
О 54,5 47,3
I
Det Element
Рис. 2. Результаты рентгеноспектрального микроанализа исходной целлюлозы
Изображения целлюлозы после щелочной обработки 13% раствором №ОИ показаны на рисунке 3.
а б
Рис. 3. Волокна целлюлозы после обработки щелочью: а- х10; б- РЭМ- изображение
После обработки щелочью увеличивается плотность упаковки волокон. Структура волокон становится более рыхлой, пористость поверхности волокон возрастает. Поперечные размеры волокон уменьшаются. Эти данные вполне соответствуют выводам работы [4]. Появляются агломераты, состоящие из светлых микрочастиц. Известно, что в процессе мерсеризации образуются молекулярные соединения целлюлозы и гидрооксида натрия. Вероятно, они соответствуют включениям на снимке, однако для полной идентификации включений необходимы дополнительные исследования.
Результаты рентгеновского микроанализа щелочной целлюлозы показаны на рисунке 4. В составе регистрируются углерод, кислород,
натрий. Рентгеновский микроанализ позволяет определить соотношения кислорода и углерода в целлюлозе. Чем меньше содержание кислорода относительно углерода, тем больше лигнина - не целлюлозного элемента в образце [4]. Удаление лигнина способствует лучшему проникновению химических реагентов внутрь целлюлозных волокон. Отношение О/С для образца исходной целлюлозы составляет - 1,2, для образца щелочной целлюлозы - 4,3, количество лигнина после обработки целлюлозы щелочью уменьшается в 3,6 раза. Следовательно, в процессе щелочной обработки активно удаляется компонент лигнин, что способствует улучшению качества целлюлозы для дальнейшего ее использования в синтезе КМЦ.
16.2К
10. ЭК
0
8,К g
о.ок ■ 0.0
Element Weight % Atomic %
С 12,0 17,2
О 52,1 56,1
Na 34,9 26,2
Si 0,4 0,2
CI 0,4 0,1
к 0,2 0,1
в .в в
Det Element
Рис. 4. Результаты рентгеноспектрального микроанализа щелочной целлюлозы
Заключение.
оптической и
ность упаковки волокон. Количество лигнина в образцах щелочной целлюлозы уменьшается в 3,6 раза, что обеспечивает улучшение реакционной способности целлюлозы.
Методами
растровой микроскопии показано, что в процессе химической обработки волокон древесной целлюлозы 13% раствором щелочи №ОН возрастает поверхностная пористость и плот-
Библиографический список 1. Антонова, Н.М. Влияние механической активации на структуру целлюлозы / Н.М. Антонова // Перспективные направления развития отделочно-упрочняющей обработки и виброволновых технологий: Сборник трудов научного семинара, посвященного памяти заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, почётного профессора ДГТУ А.П. Бабичева. Электронный ресурс, Ростов-на-Дону, 28 февраля 2020 года / Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Донской государственный технический университет. - Ростов-на-Дону: Донской государственный технический университет, 2020. -С. 227-232. - EDN ЯУТМУ.
2. Антонова, Н.М. Экспресс-корректировка процесса синтеза КМЦ с заданной вязкостью из целлюлозного сырья различного качества / Н.М. Антонова // Материаловедение, формообразующие технологии и оборудование 2022 (ICMSSTE 2022): Материалы международной научно-практической конференции, Ялта, 16-19 мая 2022 года / Отв. редактор В.В. Дядичев. - Симферополь: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского» (Медицинская академия имени С.И. Георгиевского - структурное подразделение), 2022. - С. 513-523. - EDN KDNLAI.
3. Антонова, Н.М. Сравнительный анализ структуры листовой и модифицированной целлюлозы / Н.М. Антонова, А.С. Пузанова, А.А. Небрат // Инженерный вестник Дона. - 2020. - № 3(63). - С. 39. - EDN TKEGFD.
4. Kobayashi K., Kimura S., Togawa E., Wada M. Crystal transition from Na-cellulose IV to cellulose II monitored using synchrotron X-ray diffraction // Carbohydrate polymers. - 2011. - № 83(2). -P. 483-488. - doi.org/10.1016/j.carbpol.2010.08.006.
5. Петропавловский Г.А. Гидрофильные частично замещенные эфиры целлюлозы и их модификация путем химического сшивания. - Л.: Наука, 1988. - 298 с.
STUDY OF THE STRUCTURE OF ALKALINE CELLULOSE BY SEM METHODS I.S. Linkov, Student
Kamensk Institute of Technology (branch) South Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov (Russia, Kamensk-Shakhtinsky)
Abstract. The effect of alkaline treatment on the structure of wood pulp is considered. The results of studies of the morphology and elemental composition of cellulose before and after alkaline treatment are presented. It has been shown by electron and optical microscopy methods that the porosity of the surface of cellulose fibers increases during the treatment with NaOH alkali. Using X-ray microanalysis, it was found that the amount of lignin in alkaline cellulose samples decreases, providing an improvement in the reactivity of cellulose.
Keywords: cellulose, alkalinity, morphology, structure, microscopy.
