Битумные композиции на основе госсипола

АННОТАЦИЯ

Впервые были получены высокоэффективные битумные композиции на основе госсипола, лигнина, уротропина и гудрона при низких температурах (70 °C) и в течение 60 мин. Оптимальный состав данной композиции (масс.%): госсипол – 35,5–38,5; уротропин – 0,33–0,40; смесь лигнина – 26,5–30,0. Изучен механизм действия полученного композиционного состава и определены его технические характеристики.

Выявлено, что технические характеристики битума, модифицированного госсиполом, лигнином и уротропином, повышаются с увеличением концентрации компонентов, входящих в состав композиции. Установлено, что введение вышеуказанных компонентов в состав битума способствует увеличению температуры смягчения до 65 °С, глубина погружения иглы уменьшается до 25–30 мм^–1.

ABSTRACT

For the first time, high-performance bituminous compositions based on gossypol, lignin, urotropin and tar were obtained at low temperatures (70^oC) and for 60 minutes. The Optimal composition of this composition (mass.% ) gossypol-35,5-38,5; urotropin-0,33-0,40; lignin mixture-26,5-30,0. The mechanism of action of the resulting composite composition was studied and its technical characteristics were determined.

It was found that bitumen modified with gossypol, lignin and urotropin increases its technical characteristics with an increase in the concentration of components included in the composition. It was found that the introduction of the above components into the bitumen contributes to an increase in the softening temperature to 65oC, the depth of the needle immersion is reduced to 25-30 mm^-1.

Ключевые слова: композиция, госсипол, полимер, битум, уротропин, свойства, состав, гудрон.

Keyword: composition, gossypol, polymer, bitumen, urotropin, properties, composition, tar.

Для хлопкосеющих стран, и особенно для Узбекистана, чрезвычайно важна комплексная переработка продуктов хлопководства, являющаяся основой сельскохозяйственного производства.

Приведены результаты исследований по применению госсипола и его производных в качестве термостабилизатора для повышения термостойкости полиэтилена и других полимеров.

Госсипол является химически активным продуктом, который проявляет ярко выраженные кислотные свойства, что позволяет реагировать и как фенольное, и как альдегидное соединение. Однако одновременное присутствие –ОН и –С(О)Н-групп и их взаимное влияние несколько изменяют свойства госсипола как фенола и альдегида. Госсипол является 2,2-ди-(1,6,7-триокси-3-метил-5-изопропил-8-альдегидонафтил)ом с двумя таутомерными формами – лактольной (II) и карбонильной (III):

Рисунок 1. Таутомерные формы госсипола

Госсипол содержится в корнях (до 3,0 %) и семенах хлопчатника (до 2,9 % массы сухого обезжиренного ядра). Содержание госсипола в семенах зависит от многих факторов, в частности, от климатических условий, вегетационных особенностей, минерального питания, влажности почвы, степени зрелости семян и их сортовых различий [4, 1, 3].

Из сырого хлопкового масла госсипол извлекают путем его обработки антраниловой кислотой с последующим гидролизом его из водно-ацетонового экстракта путем высаливания или другими методами.

Полученный экстракт является кристаллическим веществом лимонного цвета, хорошо растворим в большинстве органических растворителей. Растворимость его тем лучше, чем резче выражена полярность растворителя: практически нерастворим в неполярных растворителях, но растворяется в метиловом, бутиловом и изопропиловом спиртах, диэтиленгликоле, ацетоне, феноле, пиридине и нагретом растительном масле. При перекристаллизации из разных растворителей получают различные полиморфные модификации с температурой плавления 457, 472, и 478 К.

Госсипол в качестве антиоксиданта применяется при окислении различных полимеров, является более перспективным продуктом. В первую очередь это связано с огромной возобновляемой сырьевой базой для его получения. Для детальной оценки реакционной способности каждой из пронумерованных гидроксильных групп был получен ряд производных метиловых эфиров госсипола.

Следует отметить, что гексаметилгоссипол не оказывает ингибирующего действия на процесс инициированного окисления кумола. Роль гидроксильных групп, ответственных за ингибирование реакции окисления, удобно начать с тетраметилгоссипола. Окисление кумола в присутствии диметилгоссипола, по-видимому, имеет дело с гидроксильными группами, которые отличаются своей реакционной способностью. Госсипол и некоторые его производные как ингибиторы окисления довольно хорошо изучены на примере различных органических веществ, их щелочные растворы, подобно пирогаллолу, хорошо поглощают кислород.

Как известно, молекула госсипола в основном состоит из двух одинаковых фрагментов, соединенных один с другим одинарной С-С-связью и образующих двугранный угол φ между плоскостями нафталиновых циклов, в среднем близкий к 900. Госсипол относятся к хиральным соединениям и представляет собой две энантиомерных формы (+)- и (–)-госсипол, который проявляет различный уровень биологической активности. При извлечении госсипола из хлопчатника, который представляет собой рацемическую смесь (+)- и (–)-госсипола (рис. 2.). Причем (–)-энантиомер госсипола превышает по своей активности и токсичности (+)-энантиомер и рацемическую смесь.

Рисунок 2. Полярные группы госсипола, содержащие 6 гидроксильных и 2 альдегидные группы, придают его растворимость в различных органических растворителях, таких как метанол, этанол, изопропанол, ацетон и т.д.

В госсиполе доминирует альдегидная форма в нерастворенном твердом состоянии в неполярных растворителях, таких как хлороформ, бензол, диоксан, а также в кислотных средах. Кетольный таутомер присутствует в водных щелочных растворах и нестабилен в нейтральных и кислотных растворителях, где может переходить в альдегидную форму [2]. Симметричный кетольный таутомер госсипола образует стабильные комплексы с ионами двух- и трехвалентного железа и цинка, в то время как катионы никеля и меди смещают равновесие в сторону образования лактольной формы.

Из вышеуказанного следует, что уникальные свойства госсипола открывают широкую возможность для получения композиции полифункционального назначения. Состав композиции содержит госсипол, лигнин-отход гидролизного производства, уротропин и низкосортный битум. В этом случае гидроксильные группы лигнина взаимодействуют с гидроксильными группами, содержащимися в шкале госсипола, и в результате процессов поликонденсации его молекулярная масса увеличивается, а за счет этого улучшается индекс консистенции композиции. Механизм этой реакции можно примерно объяснить следующим образом.

Рисунок 3. Поликонденсация госсипола

Из результатов эксперимента было установлено, что их концентрация играет важную роль при применении ингредиентов, используемых в модификации шкалы госсипол, в том числе гашеной извести, ГМТА (гексаметилентетрамин) и гидролизного лигнина.

Исходя из результатов проведенного эксперимента, стоит предположить, что при модификации шкалы госсипола желательно принимать концентрацию ГМТА как 3–4 % и лигнина как 15–20 % от оптимальной концентрации.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика битума, модифицированного гудроном госсипола

Как видно из приведенной таблицы, физико-механические характеристики битума улучшаются при использовании модификации шкалы госсипола, входящего в состав битума.

Список литературы:
1. Информационно-аналитическое обеспечение научных исследований по проблемам химической безопасности / В.А. Иванченко, В.М. Зацепин, И.В. Иванченко [и др.] // Химическая и биологическая безопасность. – 2008. – № 5–6. – С. 24–35.
2. Кочнев А.М. Модификация полимеров. – Казань : КГТУ, 2002. – С. 379.
3. Хаитбаев А.Х. Синтез и биологическая активность некоторых алифатических производных госсипола // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. – 2015. – № 7 (15).
4. The structure and physicochemical properties of gossypol and its imine derivatives / N.S. Ilkevych, B. Brzezinski, G. Schroeder, V.I. Rybachenko [et al] // Functionalized molecules – synthesis, properties and application. Edited by V.I. Rybachenko. – Donetsk, 2010. – P. 9–43.