Исследование синтеза нитроцеллюлозы из хлопкового линта

АННОТАЦИЯ

Изучен процесс нитрирования хлопковой целлюлозы на основе низко концентрированной азотной кислоты и подобран растворитель на основе имеющих сырьевых ресурсов АО «Фаргонаазот». Установлены оптимальные технологические и кинетические параметры процесса получения нитроцеллюлозы.

ABSTRACT

The process of nitrating cotton cellulose on the basis of low concentrated nitric acid was studied and a solvent was selected based on the raw materials of JSC Fargonaazot. The optimal technological and kinetic parameters of the process of obtaining nitrocellulose are established.

Ключевые слова: целлюлоза, хлопковый линт, нитроцеллюлоза, коллоксилин, азотная кислота.

Keywords: cellulose, cotton lint, nitrocellulose, colloxylin, nitric acid.

Введение. Повышенный интерес к производным целлюлозы в последнее время, обусловлен не только наличием доступных возобновляемых источников сырья, но и несомненным прогрессом в химии и технологии искусственных полимеров. Наряду с традиционными направлениями применения нитроцеллюлозы в качестве компонента, например, лакокрасочных материалов, клеев, этролов, порохов, в последние годы значительные успехи наблюдаются в области использования нитроцеллюлозы в производстве нанофибриллированных материалов, оптически прозрачных пленок, в качестве биологических мембран, детекторов ионизирующих излучений, тест-диагностикумов различных заболеваний, компонентов композиционных составов, работающих в условиях таких неблагоприятных факторов, как повышенная температура, УФ- и γ-излучения. Нитроцеллюлоза с лимитированным содержанием примесей используется в составах для склейки изделий и элементов электронной техники, нитролаков специального назначения [1-4].

Организация производства лаков и красок позволит обеспечить промышленные предприятия необходимой продукцией, вовлечь в промышленное производство диацетилцеллюлозу и нитроцеллюлозу, использовать местное сырье, обеспечить создание новых рабочих мест.

Данный проект направлен на освоение технологии лаков и красок на АО «Farg’onaazot».

Таким образом, освоение производства нитро- и ацетатных лаков и красок на основе диацетилцеллюлозы и нитроцеллюлозы является весьма актуальным и перспективным. Проблем со сбытом продукции на внутреннем и внешнем рынках не возникнет, наоборот увиличится экспортный потенциал химической промышленности Республики.

Экспериментальная часть. Подготовка целлюлозы к нитрованию заключается в сушке целлюлозы до влажности не более 5 % и её механическом разрыхлении для придания целлюлозе однородности по величине частиц с целью обеспечения лучшей смачиваемости кислотной смесью и для равномерности нитрования. Разрыхление целлюлозы в лабораторных условиях проводили в размельчителе тканей РТ-1.

Кислотная смесь, используемая для получения НЦ должна иметь следующий состав:

• азотная кислота от 20,0 до 22,5 %,
• серная кислота от 58,5 до 60,3 %,
• вода от 18,0 до 20,0 %,
• окислы азота от 0,43 до 1,1 %,
• плотность РКС от 1,67 до 1,683 г/см³.

Результаты и их обсуждение. Целью работы является на основе проведенных ранее теоретических и прикладных исследований отработка в опытно-промышленных условиях оптимальных технологических параметров производства лаков и красок нитро-, ацетатных и смол полученных хлорированием кубовых отходов производства ацетилена, проведение опытно-промышленных испытаний и освоения технологии нитро- и ацетатных лаков и красочных материалов на основе диацетатцеллюлозы и нитроцеллюлозы на АО «Farg’onaazot».

Освоение данной технологии позволит получить лаки и лакокрасочные материалы с заданными механическими свойствами. Это в свою очередь даст возможность обеспечить промышленные предприятия быстро сохнущими лакокрасочными материалами, увеличить экспортный потенциал Республики и выпускать продукцию с высокой добавленной стоимостью из местного сырья.

При выполнении работы предусматривается разработка исходных данных для проектирования промышленной установки по получению нитро- и ацетатных лаков из коллоксилина, диацетатацеллюлозы и нитроцеллюлозы, которые производятся на АО «Farg’onaazot», постоянного технологического регламента производства лаков и красок, отработка оптимальных технологических параметров процесса, проведение технико-экономических расчётов.

Суть работы явилось исследование синтеза нитроцеллюлозы из хлопкового линта по следующей схеме.

Линия производства нитроцеллюлозы предлагается при использовании хлопкового линта, целлюлоза содержащего материала или неочищенной целлюлозы (рис. 1.).

Рисунок 1. – Технологическая линия производства нитроцеллюлозы из неочищенной целлюлозы, хлопкового линта или целлюлоза содержащего материала. 1 – бункер-дозатор целлюлозосодержащего материала. 2 – нитратор. 3 – промежуточный реактор. 4 – роторно-пульсационный аппарат. 5 – непрерывно-действующая кислотоотжимочная фильтрующая центрифуга и смывной аппарат. К – регулирующий кран массопровод

Процесс изготовления нитроцеллюлозы из целлюлозосодержащего материала, в том числе из хлопкового линта, посредством предлагаемой технологической линии осуществляется следующим образом. Хлопковый линт из бункера-дозатора (1) поочередно через заданные промежутки времени выгружается в один из нитраторов (2), предварительно заполненный нитросмесью. По истечении заданного промежутка времени содержимое нитратора самотеком выгружается в промежуточный реактор (3). Из реактора (3) нитромасса непрерывно поступает в центроосевой патрубок роторно-пульсационного аппарата (4) и под действием центробежной силы, развиваемой лопастями диска РПА, последовательно проходит через прорези ротора и статора. Вращение ротора РПА приводит к быстрому чередованию совмещений и несовмещений прорезей ротора и статора. При этом частицы нецеллюлозных примесей линта испытывают воздействие высокочастотных пульсаций и гидравлические удары, а также сдвиговые усилия в зазоре между ротором и статором, что приводит к их диспергированию с образованием более мелких частиц с развитой удельной поверхностью.

Дисперсные частицы примесей благодаря развитой удельной поверхности быстрее подвергаются полной химической деструкции с образованием низкомолекулярных водорастворимых продуктов, воды и углекислоты на стадии стабилизации НЦ, что в конечном итоге позволяет получить высококачественную нитроцеллюлозу промышленных марок из дешевых целлюлозосодержащих материалов (хлопкового линта, льняного волокна). Подтверждением этого являются, например, показатели качества лакового коллоксилина, получаемого переработкой хлопкового линта 2 сорта I типа (зрелость 84,2%, длина волокна 13-16 мм, засоренность 5,6%, содержание целых семян 0,18%, влажность 3,2%) с использованием линии-прототипа и предлагаемой линии (таблица 1) по следующим технологическим режимам:

- нитрация: состав нитросмеси, %: HNO₃ 22,8, вода 16,1; H₂SO₄ - остальное; температура нитросмеси перед загрузкой линта 32°С, модуль нитрации 1:38, продолжительность нитрации 40 мин;

- стабилизация: варка при 98°С и начальной концентрации перекиси водорода 0,4% в течение 6 час; автоклавирование при 139°С и концентрации азотной кислоты 0,2% в течение 1,5 ч; холодные промывки.

Воздействие пульсаций, гидравлические удары и сдвиговые усилия, возникающие между ротором и статором, ускоряют химическое взаимодействие нитросмеси с веществом частиц примесей, что также благоприятно сказывается на последующих процессах химической деструкции и растворения нецеллюлозных примесей на стадии стабилизации НЦ. Далее нитромасса выводится из РПА через радиальный патрубок и с помощью регулирующего крана К, установленного на нагнетательном трубопроводе РПА, разделяется на два потока. Первый поток нитромассы подается в непрерывнодействующую фильтрующую кислотоотжимочную центрифугу (5), а второй поток возвращается в промежуточный реактор (3). Нитромасса циркулирует по контуру реактор (3) - РПА (4) - реактор (3), и частицы нецеллюлозных примесей подвергаются неоднократному воздействию поля РПА. Вместо одной непрерывнодействующей центрифуги (5) могут быть использованы параллельно установленные центрифуги периодического действия, причем количество таких центрифуг должно быть достаточным для обеспечения непрерывной работы роторно-пульсационного аппарата (4).

Для обеспечения непрерывности работы РПА и кислотоотжимочной центрифуги и неоднократной обработки нитромассы в РПА число нитраторов (2), содержимое которых поочередно выгружается в реактор (3), должно быть четыре-шесть (в зависимости от марки НЦ). При пуске в работу предлагаемой линии реактор (3) должен быть предварительно заполнен нитросмесью в количестве, равном объему двух-трех нитраторов. На фильтрующем сите вращающегося ротора центрифуги (5) НЦ отделяется от большей части ОНС, и полученный на сите слой НЦ выводится в смывной аппарат, размещенный в камере центрифуги. Потоком транспортной кислоты нитроцеллюлоза переносится из смывного аппарата центрифуги (5) в вытеснитель.

Заключение. Реализация данного технологического решения, которое разработано в составе Инновационного проекта, позволит создать производство лакового коллоксилина на основе хлопковой целлюлозы путем нитрирования. Разработанная технология защищена патентом Республики Узбекистан.

Результаты проведенных исследований явились научной основой для создания технологии получения коллоксилина низко концентрированной азотной кислоты.

Изучен процесс нитрирования хлопковой целлюлозы на основе низко концентрированной азотной кислоты и подобран растворитель на основе имеющих сырьевых ресурсов АО «Фаргонаазот». Установлены оптимальные технологические и кинетические параметры процесса получения нитроцеллюлозы. Показано, что основываясь на 58% концентрированном азотном кислоте, приготовляя реакционно-кислотную смесь (РКС), увеличивая время нитрирования до 45 – 50 минут, температуру нитрирования до 42^оС можно получить лаковый коллоксилин.

Список литературы:
1. Завадский, А. Е. Рентгенографический метод определения степени кристалличности целлюлозных материалов различной анизотропии /А. Е. Завадский // Хим. волокна. – 2004. – № 6. – С. 28 – 31.
2. Завадский, А. Е. Анализ гетерогенности сухих целлюлозных волокон мето-дом малоугловой рентгеновской дифракции /А. Е. Завадский // Хим. волокна. – 2012. – № 6. – С. 62 – 65.
3. Ugo, B. Preliminaty Characterization of Propellants Based on p(GA/BAMO) and pAMMO Binders /Barbieri Ugo, Polacco Giovanni, Paesano Emanuelle and Massimi Roberto // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. – 2009. – Vol. 34, Issue 5. – P. 427 – 435.
4. Михайлов, Ю. М. Энергонасыщенные полимеры: синтез, структура, свойства /Ю. М. Михайлов, Э. Р. Бадамшина. – М. : ГосНИП «Расчет», 2008. – 66 с.