CC BY
18
УДК 677.1 https://doi.org/10.24412/2071-8268-2022-3-4-49-53
типы волокон из природных полимеров, возможные пути их синтеза, превращения и свойства
Э.К. АХТЯМОВ, А.М. ШАММАЗОВ, Г.Ю.КОЛЧИНА , И.А.ЧЕТВЕРТНЕВА, М.В.СЕВОСТЬЯНОВА, Э.М.МОВСУМЗАДЕ, М.Е.ЛОГИНОВА
Уфимский государственный нефтяной технический университет, г. Уфа, Россия
В статье авторами проанализированы возможности получения волокнистых материалов на основе зелёных природных ресурсов. Природные полимеры являются одними из наиболее перспективных высокомолекулярных соединений.
Рассмотрены как натуральные растительные, так и искусственные волокна. Показаны возможные пути их получения, превращения и свойств.
В заключении отмечается, что в ближайшие годы сначала в опытных, а затем в производственных условиях будут появляться все новые типы химических сплавов полимеров, наделенные новыми ценными свойствами.
Ключевые слова: возобновляемое сырье, природные полимеры, волокна, растительные волокна, химические волокна, целлюлоза.
Для цитирования: Ахтямов Э.К., Шаммазов А.М., Колчина Г.Ю., Четвертнева ИА., Севостьяно-ва М.В., Мовсумзаде Э.М., Логинова М.Е. Типы волокон из природных полимеров, возможные пути их синтеза, превращения и свойства // Промышленное производство и использование эластомеров. 2022. № 3-4. С. 49-53. DOI:10.24412/2071-8268-2022-3-4-49-53.
Благодарность: Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта по гранту № 19-29-07471 мк.
types of fibers from natural polymers, possible ways of their synthesis, transformation and properties
AKHTYAMOVE.K., SHAMMAZOV A.M., KOLCHINA G.YU., CHETVERTNEVA I.A., SEVOSTYANOVA M.V., MOVSUMZADE E.M., LOGINOVA M.E.
Ufa State Petroleum Technological University, fa, Russia
Abstract. In the article the authors analyzed the possibilities of obtaining fibrous materials based on green natural resources. Natural polymers are among the most promising macromolecular compounds.
Both natural plant and artificial fibers are considered. Possible ways of their obtaining, transformation and properties are shown.
In conclusion, it is noted that in the coming years, first in experimental and then in production conditions, new types of chemical polymer alloys will appear, endowed with new valuable properties.
Key words: renewable raw materials, natural polymers, fibers, plant fibers, chemical fibers, cellulose.
For citation: Akhtyamov E.K., Shammazov A.M., Kolchina G.Yu., Chetvertneva I.A., Sevostyanova M.V., Movsumzade E.M., Loginova M.E. Types of fibers from natural polymers, possible ways of their synthesis, transformation and properties. Prom. Proizvod. Ispol'z. Elastomerov, 2022, no. 3-4, pp. 49-53. DOI:10.24412/2071-8268-2022-3-4-49-53.
Acknowledgments: The reported study was funded by RFBR ac- cording to the research project No 1929-07471 mk.
В современном мире необходимость развития производства материалов на основе возобновляемого сырья совершенно очевидна. Однако порядка четверти растительной биомассы в своём составе состоит из углеводов, а наличие в нем большого количества кислорода затрудняет его использование в энергетической и химической промышленности. Но, благодаря широким исследованиям в области «зеленой химии», наблюдается прогресс в создании новых технологий. Уже через пятнадцать лет до 30% химического
сырья может производиться из растительной биомассы.
Россия занимает лидирующее место в мире по ресурсам растительной биомассы, особенно по своему разнообразию [1].
Переработка древесины, создание новых материалов расширяет возможности использования растительного природного сырья.
Природные полимеры являются одними из наиболее перспективных высокомолекулярных соединений и находят все более широкое применение.
Преимущество использования природных полимеров во многом связано с решением экологических проблем и с уникальными свойствами природного сырья [2, 3].
В данной работе авторы проанализировали возможности получения на основе зелёных природных ресурсов волокнистых материалов [4-9].
Волокна — это материал, который характеризуется очень высоким отношением длины к поперечным размолам. При этом подразумевается, что сами поперечные размеры малы не только по сравнению с длиной, но и по абсолютному значению.
Друг от друга волокна отличаются по химическому составу, строению и свойствам. В основу существующей классификации волокон положено два основных признака — способ их получения (происхождение) и химический состав, так как именно они определяют основные физико-механические и химические свойства не только самих волокон, но и изделий, полученных из них.
С учетом классификационных признаков волокна делятся на натуральные и химические.
К натуральным волокнам относят волокна природного (растительного, животного, минерального) происхождения.
К химическим волокнам — волокна, изготовленные в заводских условиях.
При этом химические волокна подразделяются на искусственные и синтетические.
Искусственные волокна получают из природных высокомолекулярных соединений, которые образуются в процессе развития и роста волокон (целлюлоза, фиброин, кератин).
К волокнам растительного происхождения относят:
• семенные;
• лубяные (стеблевые);
• волокна, получаемые из листьев;
• волокна, получаемые из оболочки плодов растений.
К семенным волокнам относятся хлопковое и капокское волокно.
Хлопок — это волокна, покрывающие семена однолетнего растения хлопчатника. Хлопок является наиболее часто используемым натуральным целлюлозным волокном. Хлопчатобумажные волокна растут из семян в коробочке (стручке).
Капок. Капокское волокно получают из семян хлопкового дерева — сейбы. Волокно мягкое, легкое и пустое. Оно используется как волокнистый наполнитель и как набивка для подушек. Раньше из этого волокна делали спасательные жилеты и матрасы на круизных судах, потому что оно очень плавучее.
Стеблевые (лубяные) волокна. Целлюлозные лубяные волокна встречаются во флоэме, или внутренней коре, некоторых растений. Они имеют форму пучков или нитей, которые действуют как упрочняющие элементы и помогают растениям оставаться прямостоящими. Растения собирают, а пряди из лубяных волокон отделяют от остальной ткани путем вымачивания, общего для большинства лубяных волокон. Затем обработанный материал дополнительно мнут, треплют и вычесывают. К стеблевым волокнам относят: лен, коноплю, кенаф, розеолу, рами и другие волокна.
Лен. Льняные волокна получают из стеблей растения, которое также называется «клен», и выращивают как на волокно, так и на семена. Слово «лен» имеет латинские корни (лат. Linux) и происходит от слова «линия», что значит «нитка». Льняное волокно является самым сильным из растительных волокон, даже сильнее хлопка.
Конопля. Источником волокна конопли является растение Cannabissativa (тутовая семья), происходящее из Центрального Китая. Она выращивается в Центральной Азии и Восточной Европе. Стебель используется для производства волокон. Стебли вырастают высотой 5-7 м и 6-16 мм толщиной.
Джут. Джутовую ткань делают из растения с одноименным названием. Это экологически чистый материал, имеющий широкое применение. Растение, встречается только в странах с жарким и влажным климатом. Высота стеблей достигает 4 м. Их используют для изготовления джутового волокна.
Кенафи. Розелла. Это тесно связанные лубяные волокна получают из Hibiscuscannabinusи H.sabdariffa (семейство мальвовых) соответственно. Волокна имеют и другие местные названия. Волокно кенафа также считается заменой джутового и используется для мешковины, веревки, мешков и в качестве бумажной массы в Индии, Таиланде и в странах Балкан. В Таиланде продается целлюлоза розелла.
Рами. Рамиевое волокно расположено в коре Boehmerianivea, члена семейства крапивы. Растение является выходцем из Китая (китайская трава), где оно использовалось для изготовления тканей и рыболовных сетей в течение сотен лет [8].
Волокна, получаемые из листьев растений. Листовые волокна или твёрдые волокна в основном используются для изготовления верёвок. Они являются наиболее жесткими из растительных волокон, что , скорее всего, связано с повышенным содержанием в них лигнина по сравнению с другими группами растительных волокон.
Абака (манильская пенька) является членом семьи банановых деревьев. Волокна грубые и очень длинные (полметра). Это прочное, устойчивое к действию морской воды, долговечное и гибкое волокно, используемое для верёвок, напольных ковриков, столового белья, одежды, чайных мешочков, банкнот, сетей и плетёной мебели.
Сизаль — натуральное грубое волокно, получаемое из листьев растения Agava sisolana из рода агавы, иногда «сизалем» называют и само растение. Это многолетнее тропическое растение, которое применяют в промышленных целях.
Юкка. Один из самых простых и удобных для изготовления верёвок растений является юкка. Она произрастает почти повсеместно на юго-западе США, преимущественно на обочинах дорог и на открытых, хорошо освещённых солнцем пространствах.
Формиат. Новозеландский лён, точнее фор-миум прочный ( Phormium tenacious), в числе многих других растений стал известен благодаря второй Экспедиции Джеймса Кука (1772-75 гг.). В настоящее время ведётся изучение возможности использования волокон новозеландского льна не только для изготовления текстиля, канатов, ковров, одежды, но и геотекстиля, емкостей для растений, мульчирующих материалов, в качестве армирующего компонента для термопластический композитных материалов (биокомпозитов).
Волокна, получаемые из плодов растений.
Кокосовое волокно — материал, получаемый из околоплодника или, проще говоря, скорлупы кокосового ореха. Сама по себе скорлупа созревшего кокосового плода — довольно прочный материал. При длительном вымачивании в воде, она разделяется на составляющие ее волокна — кайру. Их вычесывают и сортируют на фракции в зависимости от длины и толщины.
Вторая группа существующих волокон — это химические волокна. Получают путём химической переработки природных или синтетических высокомолекулярных соединений [8-12]. Производство химических волокон включает три основных этапа:
• превращение волокнообразующих веществ в жидкость растворением или плавлением;
• экструзию жидкости через фильтры;
• отверждение экструзионных нитей.
В России принята следующая классификация химических волокон в зависимости от вида исходного сырья:
• органические:
• искусственные (из природных полимеров): целлюлозные, белковые;
• синтетические (из синтетических полимеров): карбоцепные, гетероцепные;
• неорганические (стекло, уголь, базальт, кварц, металлы).
Целлюлозные волокна могут считаться первым поколением искусственных волокон; синтетические — второе поколение. Третье поколение, представленное арамидами, углеродными и керамическими волокнами, получило коммерческое признание в последней трети XX века.
В настоящей статье в рамках изучения возможностей переработки возобновляемого сырья, прежде всего, рассматриваются химические волокна из природных полимеров.
Искусственные волокна
Искусственными называются такие текстильные материалы, которые созданы человеком из натуральных (природных) органических высокомолекулярных соединений, например, из высших углеводов и их производных (из целлюлозы и ее сложных эфиров , древесины, хлопка), а также из протеинов (белковых веществ, молока, растений).
Существует несколько типов искусственных текстильных волокон из натуральных полимеров: целлюлозные, альгинатные, каучуковые, биополимерные, протеиновые.
Коммерческое значение имеют только целлюлозные волокна, производимые из натуральной целлюлозы. Ещё при открытии целлюлозных волокон, их производили как «искусственный щелк», но в двадцатые годы прошлого столетия в Германии появились вискозные штапельные волокна Зельволле (Zellwolle). Дальнейшее развитие вискозного процесса привело к целлюлозным искусственным штапельным волокнам, свойства которых во многом были схожи с хлопком.
В последнее время для производства целлюлозы разработан более щадящий для окружающей среды процесс прядения из раствора — Лиоцелл.
Синтезированы новые типы полиэстера из глюкозы, получаемой из кукурузного крахмала (биополимеры).
Искусственные целлюлозные волокна классифицируются для преобразования целлюлозного сырья в пригодный для прядения раствор по процессам: вискозный, лиоцелл, медноаммиач-ный, ацетатный.
Самым важным представителем целлюлозных волокон является вискоза.
Вискоза. Обычное вискозное волокно — первый вид искусственных волокон, условно его еще относят к искусственным волокнам первого поколения.
Вискозное волокно вырабатывается из целлюлозы, полученной из отходов деревообрабатывающей
промышленности (кора, опилки различных видов деревьев: эвкалипта, сосны, бамбука, буковой древесины и т.д.).
Из вискозы можно формовать:
• искусственный шёлк, т.е. нити бесконечной длины, состоящие из многих элементарных непрерывных нитей;
• искусственное штапельное волокно, т.е. отдельные коротко нарезанные волоконца, применяемые для производства пряжи;
• технические нити, например, кордные нити. Нити для канатов и строп обычно изготавливают из искусственного щёлка и реже — из штапельного волокна.
Сам технологический процесс производства вискозных нитей насчитывает более 100 лет и выглядит примерно следующим образом:
1) заготавливается древесная целлюлоза измельчением щепок и гранул древесины;
2) древесная масса с подогревом «замачивается» в растворе ^ОН. Химическая целлюлоза очень мало изменяется в вискозном процессе. После образования волокна — это целлюлоза, и называется гидратцеллюлозное волокно (восстановленная целлюлоза). Химическая структур целлюлозы сравнима с хлопком, тем не менее, молекулы целлюлозы намного короче молекул хлопка, а их расположение в волокне другое. Это является главной причиной меньшей прочности вискозных волокон. После отжима и созревания выполняется продавливание (типа экструзии) массы через перфорированную пластину. Тонкие полоски клейкого материала попадают в ванны с реагентом, где получают требуемые рабочие свойства волокон. Штапельные волокна соединяются друг с другом в полотна, а если это будут нити, то они прячутся, из них потом переплетением создаётся ткань.
Обычные вискозные волокна обладают рядом положительных свойств: мягкостью, растяжимостью, устойчивостью к истиранию, низкой электролизуемостью, светостойкостью.
Из минусов такой вискозы называют: более низкую прочность, чем у хлопка, особенно в мокром виде, ее высокую сминаемость, меньшую износостойкость, способность деформироваться при стирке и сушке.
В ходе модифицированного вискозного процесса получают модал. Эти волокна стали условно называться волокнами второго поколения.
В работах авторов [6, 8, 11, 12] представлен большой ассортимент получаемых продуктов на основе зелёных природных ресурсов. Последние составляют ту основу растений, которые используется человечеством в течение веков и по настоящее время.
В России реализуются проекты создания производства биоразлагаемых композиционных материалов на основе производных целлюлозы, производства экологически чистых биосвязующих с использованием наноцеллюлозы.
Природные полимеры обладают рядом интереснейших свойств, высокой биологической активностью и совместимостью с тканями человека, животных и растений, не загрязняют окружающую среду, поскольку полностью разрушаются ферментами микроорганизмов, могут широко применяться в проведении природоохранных мероприятий.
В ближайшие годы сначала в опытных, а затем в производственных условиях будут появляться все новые типы химических сплавов полимеров, наделенные новыми ценными свойствами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ / REFERENCES
1. Бушукина В.И. Особенности развития возобновляемой энергетики в мире и в России // Финансовый журнал. 2021. Т. 13. № 5. С. 93-107. [Bushukina V.I. Features of the development of renewable energy in the world and in Russia. Finansovyy zhurnal, 2021, vol. 13, no. 5, pp. 93-107 (In Russ.)].
2. Егорова ДА., Ермоленко Б.В. Возобновляемая энергетика как инструмент сбережения ценного химического сырья // Успехи в химии и химической технологии. 2016. Т. XXX. № 9. С. 47-49. [Yegorova D.A., Yermolenko B.V. Renewable energy as a tool for saving valuable chemical raw materials. Uspekhi v khimii i khimicheskoy tekhnologii, 2016, vol. XXX, no. 9, pp. 47-49 (In Russ.)].
3. Неверов А.В. Экономика природопользования: учеб.-метод. пособие для студ. Минск: БГТУ, 2009. 554 с. [Neve-rov A.V. Ekonomikaprirodopol'zovaniya [Economics of nature management]. Minsk, BGTU Publ., 2009. 554 p. (In Russ.)].
4. Егоров В.В. Экологическая химия: учебное пособие. СПб.: Лань, 2017. 184 с. [Yegorov V.V. Ekologicheskaya khimiya [Ecological chemistry]. St. Petersburg, Lan' Publ., 2017. 184 p. (In Russ.)].
5. Тюкавкина НА., Бауков Ю.И. Биоорганическая химия: учебник. М.: Дрофа, 2006. 542 с. [Tyukavkina N.A., Baukov Yu.I. Bioorganicheskaya khimiya [Bioorganic chemistry]. Moscow, Drofa Publ., 2006. 542 p. (In Russ.)].
6. Четвертнева ИА., Тептерева ГА., Мовсумзаде Э.М. и др. Перспективы применения продуктов переработки древесного сырья. М.: Обракадемнаука, 2021. 136 с. [Chetvertneva I.A., Teptereva G.A., Movsumzade E.M. Pers-pektivy primeneniya produktov pererabotki drevesnogo syr'ya [Prospects for the use of products of processing of wood raw materials]. Moscow, Obrakademnauka Publ., 2021. 136 p. (In Russ.)].
7. Кашпарова В.П., Чернышева Д.В., Клушиц ВА. и др. Фурановые мономеры и полимеры из возобновляемого растительного сырья //Успехи химии. 2021. 90 (6). С. 750784. [Kashparova V.P., Chernysheva D.V., Klushina V.A. Furan monomers and polymers from renewable vegetable raw materials. Uspekhi khimii, 2021, vol. 90 (6), pp. 750-784 (In Russ.)].
8. Тептерева ГА., Пахомов С.И., Четвертнева ИА. и др. Возобновляемые природные сырьевые ресурсы, строение, свойства, перспективы применения // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2021. Т. 64. № 9. С. 5-122. [Teptereva G.A., Pakhomov S.I., Chetvertneva I.A. Renewable natural raw
materials, structure, properties, application prospects. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Seriya: Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya, 2021, vol. 64, no. 9, pp. 5-122 (In Russ.)].
9. Каримов О.Х., Тептерева ГА., Четвертнева ИА., Мовсумзаде Э.М. Развитие химии и технологии биополимера лигнина // Промышленное производство и использование эластомеров. — 2020. — № 1. — С. 25-39. DOI: 10.24411/2071-8268-2020-10105. [Karimov O.Kh., Teptere-va G.A., Chetvertneva I.A., Movsumzade E.M. Development of chemistry and technology of biopolymer lignin. Prom. Proizvod. Ispol'z. Elastomerov. 2020, no. 1, pp. 25-39. (In Russ.). DOI: 10.24411/2071-8268-2020-10105].
10. Варфоломеев С.Д. Химия биомассы: биотоплива и биопластика. М.: Научный мир. 2017. 720 с. [Varfolome-yev S.D. Khimiya biomassy: biotopliva i bioplastika [Chemistry of biomass: biofuels and bioplastics]. Moscow, Nauchnyy mir Publ., 2017. 720 p. (In Russ.)].
11. Тептерева ГА., Белгородский В.С., Четвертнева ИА., Пахомов С.И., Севастьянова М.В., Мовсумзаде Э.М., Чуй-ко Е.В. Волокна из натурального сырья. Прошлое, насто-
ящее и будущее // Промышленное производство и использование эластомеров, 2021, № 2, С. 33-39. DOI: 10.24412/20718268-2021-2-33-39. [Teptereva G.A., Belgorodsky V.S., Chetvertneva I.A., Pakhomov S.I., Sevastyanova M.V., Movsumzade E.M., Chuiko E.V. Fibers from natural raw materials. Past, present and future. Prom. Proizvod. Ispol'z. Elastomerov, 2021, no. 2, pp. 33-39. (In Russ.). DOI: 10.24412/2071-8268-2021-2-33-39].
12. Мовсумзаде Э.М., Четвертнева И.А., Тептерева Г.А., Колчина Г.Ю., Тивас Н.С., Каримов О.Х., Бахтина А.Ю., Рольник Л.З. Основные направления передела природных растительных ресурсов как сырьевых источников биополимерных систем // Промышленное производство и использование эластомеров. — 2020. — № 3. — С. 56-66. DOI: 10.24412/2071-8268-2020-3-4-56-66. [Movsumzade E.M., Chetvertneva I.A., Teptereva G.A., Kolchina G.Yu., Tivas N.S., Karimov O.Kh., Bakhtina A.Yu., Rolnik L.Z. Osnovnyye napravleniya peredela prirodnykh rastitel'nykh [Main components of redistribution of natural plant resources]. Prom. Proizvod. Ispol'z. Elastomerov, 2020, no. 3, pp. 56-66. (In Russ.). DOI: 10.24412/2071-8268-2020-3-4-56-66].
информация об abtopax/information about the authors
Ахтямов Эрик Касимович, аспирант кафедры общей, аналитической и прикладной химии, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4167-4509.
E-mail: erik-ah@mail.ru
Шаммазов Айрат Мингазович, д.т.н., проф., академик Академии наук РБ, президент, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0483-7188.
E-mail: ashammazov@mail.ru
Колчина Галина Юрьевна, к.х.н., доцент кафедры химии и химической технологии, Стерлитамакский филиал Уфимского университета науки и технологий, Стерлитамак, Россия.
ORCID: http://orcid.org/0000-0003-2808-4827.
E-mail: kolchina.gyu@mail.ru
Четвертнева Ирина Амировна, к.т.н., доцент кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6798-0205.
E-mail: chetvertneva@ufa.scsbm.ru
Севостьянова Мария Владимировна, аспирант кафедры общей, аналитической и прикладной химии, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия.
E-mail: sevostjanova.m@yandex.ru
Мовсумзаде Эльдар Мирсамедович, чл.-корр. РАО, д.х.н., проф., советник ректора, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство).
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7267-1351.
E-mail: eldarmm@yahoo.com
Логинова Марианна Евгеньевна, к.ф.-м.н., доцент кафедры бурения нефтяных и газовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия.
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7267-1351
Akhtyamov Erik K., Postgraduate Student of the Department of General, Analytical and Applied Chemistry, Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4167-4509.
E-mail: erik-ah@mail.ru
Shammazov Ayrat M., Dr. Sci. (Tech.), Prof., Academician of the Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan, President, Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0483-7188.
E-mail: ashammazov@mail.ru
Kolchina Galina Yu., Cand. Sci. (Chem.), Associate Prof. of the Department of Chemistry and Chemical Technology, Sterlitamak branch of the Ufa University of Science and Technology, Sterlitamak, Russia.
ORCID: http://orcid.org/0000-0003-2808-4827.
E-mail: kolchina.gyu@mail.ru
Chetvertneva Irina A., Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Oil and Gas Well Drilling, Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-6798-0205.
E-mail: chetvertneva@ufa.scsbm.ru
Sevostyanova Mariya V., Postgraduate Student of the Department of General, Analytical and Applied Chemistry, Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia.
E-mail: sevostjanova.m@yandex.ru
Movsumzade Eldar M., Corresponding Member of the Russian Academy of Education (RAE), Dr. Sci. (Chem.), Prof., Adviser to the Rector, Ufa State Petroleum, Ufa, Russia. Technological University, Kosygin Russian State University (Technology. Design. Art), Moscow, Russia.
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7267-1351.
E-mail: eldarmm@yahoo.com
Loginova Marianna E., Cand. Sci. (Ph.-m.), Assoc. Prof. of the Department of Oil and Gas Well Drilling, Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia.
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-7267-1351
