Изучение взаимодействия целлюлозы с мочевинойс получением карбаматной целлюлозы

АННОТАЦИЯ

В статье изучен процесс получения целлюлозы из целлюлозосодержащих растений и взаимодействие полученной целлюлозы с мочевиной. Состав волокна определяли с помощью химических методов. Для изучения молекулярных характеристик целлюлозы и химического строения полученных производных использовали вискозометрический метод, ИК-спектроскопию. На основе тростниковой целлюлозы, путем обработки её щёлочью и мочевиной, получены производные целлюлозы, содержащие карбонильные и амидные группы.

ABSTRACT

This article studies the production of cellulose from cellulose-containing plants and the interaction of the resulting cellulose with urea. The fiber composition was determined using chemical methods. To study the molecular characteristics of cellulose and the chemical structure of the obtained derivatives, the viscometric method and IR spectroscopy were used. On the basis of cane cellulose, by treating it with alkali and urea, cellulose derivatives containing carbonyl and amide groups have been obtained.

Ключевые слова: пшеничная солома, тростник ,клещевина, уровень полимеризации, вискозометрический метод, ИК- спектроскопия, гидрогель, аэрогель.

Keywords: wheat straw, reed, castor oil plant, polymerization level, viscometric method, IR spectroscopy, hydrogel, airgel.

Введение. Известно, что целлюлоза - один из важнейших полимерных материалов, который очень распространен в природе. Целлюлоза и ее производные являются основным источником сырья в таких отраслях как производство изделий из полиэтилена, в текстильной промышленности, химической промышленности, для получения гидрогеля и аэрогеля. Растения в природе являются источником большого количества целлюлозы, но из-за высокого спроса на целлюлозу и ее производные,  не могут полностью удовлетворить спрос. Одним из важных аспектов является решение возникающих проблем за счет рационального использования местного сырья для удовлетворения таких потребностей[1-3].

Карбамат целлюлозы (КЦ) представляет собой биоразлагаемый и экологически чистый материал на биологической основе и, таким образом, представляет собой интересную альтернативу полимерам на нефтяной основе или волокнам из целлюлозы, полученным с использованием вискозного процесса [4, 5]. Дальнейшие исследования проводятся для определения количества азота, выделяемого в КЦ, когда для реакции с целлюлозой применяются различные концентрации мочевины. Также изучается влияние концентрации азота КЦ на его растворимость в мочевинно-щелочной системе [6,7]. Продукты из регенерированной целлюлозы (гидрогели и аэрогели) изготавливаются путем быстрого растворения КЦ в мочевинно-щелочной системе. Морфология регенерированных целлюлозных продуктов наблюдается под автоэмиссионным сканирующим электронным микроскопом (СЭМ). Превращения алломорфов в продукты регенерированной целлюлозы исследуются с помощью дифракции рентгеновских лучей (ДРЛ). Прозрачность регенерированных целлюлозных продуктов определяется с помощью спектрофотометра в ультрафиолетовой и видимой (УФ-видимой) области. Также оценивается степень набухания (DS) продуктов из регенерированной целлюлозы [8-10].

Экспериментальная часть. В данной статье, в основном, изучалось взаимодействие целлюлозы с мочевиной (карбамид). Процесс начали с разделения и переработки сырья,то есть с отделения целлюлозы от растений, так как растения являются одним из наиболее распространенных источников целлюлозного сырья. Известно, что существует множество видов растений, содержащие целлюлозу. Для эксперимента был выбран ряд растений, которым до сих пор уделялось мало внимания по извлечению целлюлозы из их состава, а именно пшеничная солома, тростник и клещевина.

Эксперимент проводили в трехгорлой колбе, снабженной мешалкой, термометром, обратным холодильником. Сначала растворили мочевину в дистиллированной воде, были приготовлены растворы мочевины разной концентрации, используя разные уровни температуры. Этот процесс был основан на коэффициенте растворимости мочевины. Далее, в приготовленные растворы мочевины, постепенно добавляли целлюлозные крошки, перемешивая с помощью перемешивающего механизма. Этот процесс проводили в диапазоне температур 20-30 ⁰С и в течение 3 часов. Полученный продукт после фильтрации поместили в сушильный шкаф при температуре 35-45 ⁰С для сушки. После сушки продукт в чашках Петри поместили в микроволновую печь с мощностью 700 W. Продукт нагревали около 60 минут при максимальном нагреве. Затем продукт достали из микроволновой печи и тщательно промыли в дистиллированной воде. Промытый продукт сушили, выдерживая его в сушильном шкафу при 60 °C. В результате получился светло-желтый полимер карбамат-целлюлозы. Полученный продукт взвесили и сравнили с массой сырья для расчета выхода реакции.

В таблице 1 показано количество целлюлозы в различных растениях и степень полимеризации полученной целлюлозы, определённой вискозиметрическим методом.

Таблица 1.

Анализ количества целлюлозы в растениях и степень полимеризации

Графическое представление этой таблицы показано на рисунке 1. Как видно из таблицы 1 и рисунка1, количество целлюлозы в хлопковом волокне и степень ее полимеризации выше, чем у остальных. Степень полимеризации у клещевины ближе к хлопковому волокну.Однако из-за небольшого количества этого растения, выращиваемого в Узбекистане, оно не может служить основным источником сырья. Дальнейшие исследования проводились по изучению тростникового растения в качестве источника целлюлозы, потому что это растение широко распространено в дикой природе в разных частях Узбекистана. Используя полученную целлюлозу, проведена вторая часть эксперимента – получение карбаматацеллюлозы. 

n-степень полимеризации, Т-температура протекания реакции

Рисунок 1. График температурной зависимости степени полимеризации при отделении целлюлозы из растений

Полученный на основе местного сырья карбамат-целлюлозы, был анализирован на ИК-спектрофотометре (Рисунок 2).

Рисунок 2. ИК-спектр карбамата целлюлозы

На ИК-спектре видно, что в областях 3332 см^-1 и 3288 см^-1 расположены валентные колебания связей NН₂ и NН-групп, соответственно. Полосы поглощения в области 1109 см^-1 указывают на наличие C–N группы, свидетельствующие о взаимодействии углеродного атома целлюлозы и аминогруппы карбамида. Полосы поглощения в областях 1001 см^-1, 1029 см^-1 и 1056 см^-1 относятся к валентным колебаниям С-С связей [6,7].

Выводы

По результатам реакции модифицирования целюлозы, полученной из тростника, с карбамидом получен карбамат целюлозы. Доказано преобразование карбаматных групп путем снятия ИК-спектров полученного образца. 

Показана зависимость степени полимеризации получаемой целюлозы от вида используемого целлюлозосодержащего растения, температуры реакции выделения целлюлозы и концентрации применяемых реагентов.

Список литературы:

1. Rahmonberdiev G., Murodov M., Negmatova K., Lysenko A. Effective Technology of Obtaining The Carboxymethyl Cellulose From Annual Plants // Materials science and engineering an introduction. –Switzerland, 2012.- P. 541-543.
2. Киёмов Ш.Н., Джалилов А.Т. Уретановый олигомер ОУ-400 // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. 2020. № 7 (76). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/9892 .
3. Willberg-Keyriläinen P., Hiltunen J., Ropponen J. Production of cellulose carbamate using urea-based deep eutectic solvents // Cellulose. – 2018.  doi: 10.1007/s10570-017-1465-9.
4. Киёмов Ш. Н., Джалилов А. Т. Адгезия эпоксиуретанового полимера по металлу // Universum: технические науки. – 2020. – №. 9-2 (78).
5. S. Paunonen T., Kamppuri L., Katajainen C., et.al. Environmental impact of cellulose carbamate fibers from chemically recycled cotton // J. Clean. Prod. – 2019.  doi: 10.1016/j.jclepro.2019.03.063.
6. Джалилов А. Т., Киёмов Ш. Н. Уретан-эпоксидные термореактивные полимерные системы в качестве антифрикционного материала //Булатовские чтения. – 2020. – т. 5. – С. 76-78.
7. Gan S., Zakaria S., Chia C.H., Chen R.S., et.all. Highly porous regenerated cellulose hydrogel and aerogel prepared from hydrothermal synthesized cellulose carbamate // PLoS One, 2017.  doi: 10.1371/journal.pone.0173743.
8. Dahou W., Ghemati D., Oudia A., Aliouche D. Preparation and biological characterization of cellulose graft copolymers // Biochem. Eng. J.. -  2010, doi: 10.1016/j.bej.2009.10.006.
9. Тарасевич Б.Н. ИК-спектры основных классов органических
   соединений. Справочные материалы. М. МГУ- 2012. – 55 с.
10. Киёмов Ш. Н., Джалилов А. Т. Трибология эпоксиуретанового полимера // Universum: технические науки. – 2019. – №. 6 (63).