Целлюлоза получение. Биологическая роль целлюлозы и области применения

Всю жизнь нас окружает огромное количество предметов - картонные коробки, офсетная бумага, целлофановые пакеты, одежда из вискозы, бамбуковые полотенца и многое другое. Но мало кто знает, что при их изготовлении активно применяется целлюлоза. Что же это за поистине волшебное вещество, без которого не обходится практически ни одно современное промышленное предприятие? В этой статье мы расскажем про свойства целлюлозы, её применение в различных сферах, а также из чего её добывают, и какова ее химическая формула. Начнём, пожалуй, с истоков.

Обнаружение вещества

Формула целлюлозы была открыта французским химиком Ансельмом Пайеном в ходе экспериментов по разделению древесины на составляющие. Обработав ее азотной кислотой, учёный обнаружил, что в ходе химической реакции формируется волокнистое вещество, схожее с хлопком. После тщательного анализа полученного материала Пайеном была получена химическая формула целлюлозы - C 6 H 10 O 5 . Описание процесса было опубликовано в 1838 году, а своё научное название вещество получило в 1839-м.

Дары природы

Сейчас доподлинно известно, что практически все мягкие части растений и животных содержат в себе некоторое количество целлюлозы. Например, растениям это вещество необходимо для нормального роста и развития, а точнее - для творения оболочек новообразующихся клеток. По составу относится к полисахаридам.

В промышленности, как правило, натуральную целлюлозу добывают из хвойных и лиственных деревьев - в сухой древесине содержится до 60% этого вещества, а также путём переработки отходов хлопководства, в которых содержится около 90% целлюлозы.

Известно, что если нагреть древесину в вакууме, то есть без доступа воздуха, произойдёт термическое разложение целлюлозы, благодаря чему образуется ацетон, метиловый спирт, вода, уксусная кислота и древесный уголь.

Несмотря на богатую флору планеты, лесов уже не хватает на то, чтобы производить необходимое для промышленности количество химических волокон - применение целлюлозы слишком обширно. Поэтому её всё чаще добывают из соломы, тростника, стеблей кукурузы, бамбука и камыша.

Синтетическую целлюлозу при помощи различных технологических процессов получают из угля, нефти, природного газа и сланца.

Из леса - в цеха

Давайте рассмотрим добычу технической целлюлозы из древесины - это сложный, интересный и длительный процесс. Первым делом на производство привозят древесину, распиливают её на крупные фрагменты и удаляют кору.

Затем очищенные бруски перерабатывают в щепки и сортируют, после чего вываривают в щелоке. Полученную таким образом целлюлозу отделяют от щелочи, затем высушивают, разрезают и упаковывают для отправки.

Химия и физика

Какие же химические и физические секреты таят в себе свойства целлюлозы кроме того, что это - полисахарид? В первую очередь, это вещество белого цвета. Легко воспламеняется и хорошо горит. Растворяется в комплексных соединениях воды с гидроксидами некоторых металлов (меди, никеля), с аминами, а также в серной и ортофосфорной кислотах, концентрированном растворе хлорида цинка.

В доступных бытовых растворителях и обычной воде целлюлоза не растворяется. Это происходит потому, что длинные нитевидные молекулы этого вещества связаны в своеобразные пучки и расположены параллельно друг к другу. Вдобавок, вся эта "конструкция" усилена водородными связями, из-за чего молекулы слабого растворителя или воды просто не могут проникнуть внутрь и разрушить это прочное сплетение.

Тончайшие нити, длина которых колеблется от 3 до 35 миллиметров, соединенные в пучки, - так можно схематически представить строение целлюлозы. Длинные волокна используются в текстильной промышленности, короткие - в производстве, например, бумаги и картона.

Целлюлоза не плавится и не превращается в пар, однако начинает разрушаться при нагреве выше 150 градусов Цельсия, выделяя при этом низкомолекулярные соединения - водород, метан и монооксид углерода (угарный газ). При температуре 350 о C и выше целлюлоза обугливается.

Перемены к лучшему

Вот так в химических символах описывается целлюлоза, структурная формула которой наглядно показывает длинноцепную полимерную молекулу, состоящую из повторяющихся глюкозидных остатков. Обратите внимание на "n", указывающее их большое количество.

К слову, формула целлюлозы, выведенная Ансельмом Пайеном, претерпела некоторые изменения. В 1934 году английский химик-органик, лауреат Нобелевской премии Уолтер Норман Хоуорс изучал свойства крахмала, лактозы и других сахаров, включая целлюлозу. Обнаружив способность этого вещества к гидролизу, он внёс свои коррективы в изыскания Пайена, и формула целлюлозы была дополнена значением "n", обозначив присутствие гликозидных остатков. На данный момент она выглядит так: (C 5 H 10 O 5) n .

Эфиры целлюлозы

Важно, что молекула целлюлозы содержат в себе гидроксильные группы, которые могут алкилироваться и ацилироваться, образуя при этом различные эфиры. Это ещё одно из важнейших свойств, которыми обладает целлюлоза. Структурная формула различных соединений может выглядеть так:

Эфиры целлюлозы бывают простыми и сложными. Простые - это метил-, оксипропил-, карбоксиметил-, этил-, метилгидроксипропил- и цианэтилцеллюлоза. Сложные - это нитраты, сульфаты и ацетаты целлюлозы, а также ацетопропионаты, ацетилфталилцеллюлоза и ацетобутираты. Все эти эфиры производятся практически во всех странах мира сотнями тысяч тонн в год.

От фотоплёнки до зубной пасты

Для чего же они нужны? Как правило, эфиры целлюлозы широко применяются для производства искуственных волокон, различных пластмасс, всевозможных плёнок (включая фотографические), лаков, красок, а также используются в военной промышленности для изготовления твёрдого ракетного топлива, бездымного пороха и взрывчатки.

Помимо этого, эфиры целлюлозы входят в состав штукатурных и гипсо-цементных смесей, красителей для тканей, зубных паст, различных клеев, синтетических моющих средств, парфюмерии и косметики. Одним словом, если бы в далёком 1838 году не была открыта формула целлюлозы, современные люди не обладали бы многими благами цивилизации.

Почти близнецы

Мало кто из обычных людей знает, что у целлюлозы есть своего рода двойник. Формула целлюлозы и крахмала идентична, однако это два совершенно разных вещества. В чём же разница? Несмотря на то что оба этих вещества - природные полимеры, степень полимеризации у крахмала намного меньше, нежели у целлюлозы. А если углубиться дальше и сравнить структуры этих веществ, можно обнаружить, что макромолекулы целлюлозы располагаются линейно и только в одном направлении, образуя таким образом волокна, в то время как микрочастицы крахмала выглядят несколько иначе.

Сферы применения

Одним из лучших наглядных образцов практически чистой целлюлозы является обычная медицинская вата. Как известно, её получают из тщательно очищенного хлопка.

Второй, не менее используемый продукт из целлюлозы - бумага. На самом деле она - тончайший слой целлюлозных волокон, тщательно спрессованных и склеенных между собой.

Кроме того, из целлюлозы производят вискозное полотно, которое под умелыми руками мастеров волшебным образом превращается в красивые одежды, обивку для мягкой мебели и различные декоративные драпировки. Также вискоза применяется для изготовления технических ремней, фильтров и шинных кордов.

Не забудем и о целлофане, который получают из вискозы. Без него трудно представить супермаркеты, магазины, тароупаковочные отделы почтовых отделений. Целлофан - повсюду: им обёрнуты конфеты, в него упакованы крупы и хлебобулочные изделия, а также таблетки, колготки и любая аппаратура, начиная от мобильного телефона и заканчивая пультом дистанционного управления для телевизора.

Помимо этого чистая микрокристаллическая целлюлоза входит в состав таблеток для снижения веса. Попадая в желудок, они разбухают и создают чувство насыщения. Количество еды, употребляемой за день, существенно сокращается, соответственно, падает вес.

Как видите, открытие целлюлозы произвело настоящую революцию не только в химической промышленности, но и в медицине.

Ставшие привычными для нас обыденные предметы, которые повсеместно встречаются в нашей повседневной жизни, невозможно было бы представить без использования продуктов органической химии. Задолго до Ансельма Пайя, в результате которых он смог обнаружит и описать в 1838 году полисахарид, получивший "целлюлоза" (производная французского cellulose и латинского cellula, что означает «клетка, клетушка»), свойство этого вещества активно использовалось в производстве самых незаменимых вещей.

Расширение знаний о целлюлозе привело к появлению самых разнообразных вещей, изготовленных на её основе. Бумага различных сортов, картон, детали из пластмассы и из искусственных вискозных, медно-аммиачных), полимерные плёнки, эмали и лаки, моющие средства, пищевые добавки (E460) и даже бездымный порох являются продуктами производства и переработки целлюлозы.

В чистом виде целлюлоза представляет собой белое твердое вещество с довольно привлекательными свойствами, проявляет высокую устойчивость к различным химическим и физическим воздействиям.

Природа избрала целлюлозу (клетчатку) своим главным строительным материалом. В растительном мире она составляет основу для деревьев и прочих высших растений. В самом чистом виде в природе целлюлоза находится в волосках семян хлопчатника.

Уникальные свойства этого вещества определяются его оригинальным строением. Формула целлюлозы имеет общую запись (C6 H10 O5)n из чего мы видим ярко выраженное полимерное строение. Повторяющийся огромное количество раз остаток β-глюкозы, имеющий более развернутый вид как -[С6 Н7 О2 (OH)3]-, соединяется в длинную линейную молекулу.

Молекулярная формула целлюлозы определяет её уникальные химические свойства противостоять воздействию агрессивных сред. Также целлюлоза обладает высокой стойкостью к нагреванию, даже при 200 градусах по Цельсию вещество сохраняет свою структуру и не разрушается. Самовоспламенение происходит при температуре в 420°С.

Не менее привлекательна целлюлоза своими физическими свойствами. целлюлозы в виде длинных нитей, содержащих от 300 до 10 000 глюкозных остатков, не имеющих боковых ответвлений, во многом определяет высокую устойчивость этого вещества. Формула глюкозы показывает, как множество предают целлюлозным волокнам не только большую механическую прочность, но и высокую эластичность. Результатом аналитической обработки множества химических опытов и исследований стало создание модели макромолекулы целлюлозы. Она представляет собой жесткую спираль с шагом в 2-3 элементарных звена, которая стабилизирована за счёт внутримолекулярных водородных связей.

Не формула целлюлозы, а степень её полимеризации является основной характеристикой для многих веществ. Так в необработанном хлопке число глюкозидных остатков достигает 2500-3000, в очищенном хлопке - от 900 до 1000, очищенная древесная масса обладает показателем 800-1000, в регенеративной целлюлозе их количество сокращается до 200-400, а в промышленном ацетате целлюлозы он составляет от 150 до 270 «звеньев» в молекуле.

Продуктом для получения целлюлозы служит главным образом это древесина. Основной технологический процесс производства предполагает варку щепы с различными химическими реагентами с последующей очисткой, сушкой и резкой готового продукта.

Последующая обработка целлюлозы дает возможность получать множество материалов с заданными физическими и химическими свойствами, позволяющими производить самые различные продукты, без которых жизнь современного человека трудно представить. Уникальная формула целлюлозы, скорректированная химической и физической обработкой, стала основой для получения материалов, не имеющих аналогов в природе, что позволило их широко применять в химической промышленности, медицине и других отраслях человеческой деятельности.

Чистая целлюлоза или клетчатки (от лат. cellula - «клетка») - это вещества также имеющие непосредственное отношение к сахарам. Их молекулы связаны между собой водородными связями (слабое взаимодействие) и образованы из множества (от 2000 до 3000) остатков B-глюкозы. Целлюлоза - является основным составляющим компонентом любой растительной клетки. Она содержится в древесине, в оболочках некоторых плодов (например, семечек подсолнечника). В чистом виде целлюлоза - это порошок белого цвета, в воде не растворимый и не образующий клейстер. Чтобы оценить "на ощупь" чистую целлюлозу можно взять, например, хлопковую вату или белый пух тополей.
Это практически тоже самое. Если сравнивать целлюлозу и крахмал, то крахмал лучше подвергается гидролизу. Гидролиз целлюлозы проводят в кислотной среде, при этом сначала образуется дисахарид целлобиоза, а затем глюкоза.
Целлюлозу широко применяют в промышленности, очитсив её, изготавливают всем нам знакомый целлофан (полиэтилен и целофан отличаются друг от друга на ощупь (целофан не кажется "жирным" и "шуршит" при деформации), а также искусственное волокно - вискозу (от лат. viscosus - «вязкий»).
Попадая в организм, дисахариды (например, сахароза, лактоза) и полисахариды (крахмал) под действием специальных ферментов гидролизуются с образованием глюкозы и фруктозы. Такое превращение можно легко произвести у себя во рту. Если долго жевать хлебный мякиш, то под действием фермента амилазы содержащийся в хлебе крахмал гидролизуется до глюкозы. При этом во рту возникает сладкий вкус.

Ниже представлена схема гидролиза целлюлозы

Получение бумаги

Чистая целлюлоза

Как Вы думаете,что входит в состав бумаги ?! На сомом деле – это материал, который представляет собой очень тонко переплётённые волокна целлюлозы . Некоторые из таких волокон объединены водородной связью (связь, образующаяся между группами - OH – гидроксильная группа). Способ получения бумаги во 2-м веке до нашей эры уже был известен в древнем Китае. На тот момент бумагу изготавливали из бамбука или хлопка. Позже – в 9 веке нашей эры этот секрет попал в Европу. Для получения бумаги уже в средние века использовались льняные или хлопковые ткани.

Но только в 18 веке нашли наиболее удобный способ получения бумаги – из дерева. А такую бумагу, которой мы сейчас пользуемся, начали изготавливать лишь в 19 веке.

Главным сырьём для получения бумаги является целлюлоза . Сухое дерево содержит приблизительно 40% такой целлюлозы. Остальная часть дерева – это различные полимеры, состоящие из сахаров различных видов, в том числе фруктозы, сложных веществ – фенолспиртов, различных дубильных веществ, солей магния, натрия и калия, эфирных масел.

Получение целлюлозы

Получение целлюлозы связано с механической переработкой древесины и затем проведение химических реакций с опилками. Хвойные деревья измельчают до мелких опилок. Эти опилки помещают в кипящий раствор, содержащий NaHSO 4 (гидросульфид натрия) и SO 2 (сернистый газ). Кипячение проводят при высоком давлении (0,5 МПа) и в течении длительного времени (около 12 часов). При этом в растворе происходит химическая реакция, в результате которой получается вещество гемицеллюлоза и вещество лигнин (лигнин - это вещество, представляющее собой смесь ароматических углеводородов или ароматическую часть дерева), а также основной продукт реакции – чистая целлюлоза , которая выпадает в виде осадка в ёмкости, где проводится химическая реакция. Кроме того, в свою очередь лигнин взаимодействует с сернистым газом в растворе, в результате чего получается этиловый спирт , ванилин, различные дубильные вещества, а также дрожжи пищевые.

Дальнейший процесс получения целлюлозы связан с измельчением осадка при помощи роллов, в результате чего получаются частицы целлюлозы около 1 мм. А когда такие частицы попадают в воду, то сразу набухают и образуют бумагу . На этом этапе бумага ещё не похожа на себя и выглядит, как взвесь волокон целлюлозы в воде.

На следующем этапе бумаге придают её основные свойства: плотность, цвет, прочность, пористость, гладкость, для чего в ёмкость с целлюлозой добавляют глину, оксид титана, оксид бария, мел, тальк и дополнительные вещества, связывающие волокна целлюлозы . Дальше волокна целлюлозы обрабатывают специальным клеем на основе смолы и канифоли. В его состав входят резинаты . Если добавить в этот клей алюмокалиевые квасцы, то происходит химическая реакция и образуется осадок резинатов алюминия. Это вещество способно обволакивать целлюлозные волокна, что придаёт им влагонепроницаемость и прочность. Получившаяся масса равномерно наносится на движущуюся сетку, где она отжимается и высыхает. Здесь уже формирование бумажное полотно . Для придания бумаге большей гладкости и блеска её пропускают сначала между металлическими, а затем между плотными бумажными валами (проводят каландрирование), после чего бумагу режут на листы специальными ножницами.

Как вы думаете, почему со временем желтеет бумага !?

Оказывается, молекулы целлюлозы, которые были выделены из дерева, состоят из большого числа структурных единиц типа С 6 Н 10 О 5 , которые под действием ионов атома водорода в течении определённого времени теряют между собой связи, что приводит к нарушению общей цепочки. При таком процессе бумага приобретает хрупкость и теряет свой первоначальный цвет. Ещё происходит, как говорят, подкисление бумаги . Для того, чтобы восстановить разрушающуюся бумагу, применяют гидрокарбонат кальция Са(НСО 3) 2), который позволяет временно снизить кислотность.

Есть и другой – более прогрессивный способ, связанный с применением вещества диэтилцинка Zn(C 2 H 5) 2 . Но это вещество может самовоспламеняться на воздуха и даже в близости от воды!

Применение целлюлозы

Кроме того, что целлюлозу используют для производства бумаги, ещё пользуются очень полезным её свойством этерификации c различными неорганическими и органическими кислотами. В процессе таких реакций образуются сложные эфиры, которые и нашли применение в промышленности. При самой химической реакции связи, которыми связаны фрагменты молекулы целлюлоза, не разрываются, а получается новое химическое соединение с эфирной группой -COOR-. Одним из важных продуктов реакции является ацетат целлюлозы , который образуется при взаимодействии уксусной кислоты (или её производных, например уксусного альдегида) и целлюлозы. Это химическое соединение широко используется для изготовления синтетических волокон, например, ацетатного волокна.

Ещё один полезный продукт - тринитрат целлюлозы . Он образуется при нитровании целлюлозы смесью кислот: концентрированной серной и азотной. Тринитрат целлюлозы широко используется при изготовлении бездымного пороха (пироксилина). Существует ещё динитрат целлюлозы , который применяется для изготовления некоторых видов пластмасс и

Целлюлоза (клетчатка) – растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом на Земле.

1. Физические свойства

Это вещество белого цвета, без вкуса и запаха, нерастворимое в воде, имеющее волокнистое строение. Растворяется в аммиачном растворе гидроксида меди (II ) – реактиве Швейцера.

Видео-опыт «Растворение целлюлозы в аммиачном растворе гидроксида меди (II)»

2. Нахождение в природе

Этот биополимер обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений, образуя стенку растительных клеток. В большом количестве целлюлоза содержится в тканях древесины (40-55%), в волокнах льна (60-85%) и хлопка (95-98%). Основная составная часть оболочки растительных клеток. Образуется в растениях в процессе фотосинтеза.

Древесина состоит на 50% из целлюлозы, а хлопок и лён, конопля практически чистая целлюлоза.

Хитин (аналог целлюлозы) – основной компонент наружного скелета членистоногих и других беспозвоночных, а также в составе клеточных стенок грибов и бактерий.

3. Строение

Состоит из остатков β - глюкозы

4. Получение

Получают из древесины

5. Применение

Целлюлоза используется в производстве бумаги, искусственных волокон, пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха, взрывчатки, твердого ракетного топлива, для получения гидролизного спирта и др.

· Получение ацетатного шёлка – искусственное волокно, оргстекла, негорючей плёнки из ацетилцеллюлозы.

· Получение бездымного пороха из триацетилцеллюлозы (пироксилин).

· Получение коллодия (плотная плёнка для медицины) и целлулоида (изготовление киноленты, игрушек) из диацетилцеллюлозы.

· Изготовление нитей, канатов, бумаги.

· Получение глюкозы, этилового спирта (для получения каучука)

К важнейшим производным целлюлозы относятся:
- метилцеллюлоза (простые метиловые эфиры целлюлозы) общей формулы

N (х = 1, 2 или 3);

- ацетилцеллюлоза (триацетат целлюлозы) – сложный эфир целлюлозы и уксусной кислоты

- нитроцеллюлоза (нитраты целлюлозы) – сложные азотнокислые эфиры целлюлозы:

N (х = 1, 2 или 3).

6. Химические свойства

Гидролиз

(C 6 H 10 O 5) n + nH 2 O t,H2SO4 → nC 6 H 12 O 6

глюкоза

Гидролиз протекает ступенчато:

(C 6 H 10 O 5) n → (C 6 H 10 O 5) m → xC 12 H 22 O 11 →n C 6 H 12 O 6 ( Примечание , m

крахмал декстринымальтозаглюкоза

Видео-опыт «Кислотный гидролиз целлюлозы»

Реакции этерификации

Целлюлоза – многоатомный спирт, на элементную ячейку полимера приходятся три гидроксильных группы. В связи с этим, для целлюлозы характерны реакции этерификации (образование сложных эфиров). Наибольшее практическое значение имеют реакции с азотной кислотой и уксусным ангидридом. Целлюлоза не дает реакции "серебряного зеркала".

1. Нитрование:

(C 6 H 7 O 2 (OH ) 3) n + 3 nHNO 3 H 2 SO 4(конц.)→ (C 6 H 7 O 2 (ONO 2 ) 3) n + 3 nH 2 O

пироксилин

Видео-опыт «Получение и свойстванитроцеллюлозы»

Полностью этерифицированная клетчатка известна под названием пироксилин, который после соответствующей обработки превращается в бездымный порох. В зависимости от условий нитрования можно получить динитрат целлюлозы, который в технике называется коллоксилином. Он так же используется при изготовлении пороха и твердых ракетных топлив. Кроме того, на основе коллоксилина изготавливают целлулоид.

2. Взаимодействие с уксусной кислотой:

(C 6 H 7 O 2 (OH) 3) n + 3nCH 3 COOH H2SO4( конц .)→ (C 6 H 7 O 2 (OCOCH 3) 3) n + 3nH 2 O

При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом в присутствии уксусной и серной кислот образуется триацетилцеллюлоза.

Триацетилцеллюлоза (или ацетилцеллюлоза) является ценным продуктом для изготовления негорючей кинопленки и ацетатного шелка . Для этого ацетилцеллюлозу растворяют в смеси дихлорметана и этанола и этот раствор продавливают через фильеры в поток теплого воздуха.

А сама фильера схематично выглядит так:

1 - прядильный раствор,
2 - фильера,
3 - волокна.

Растворитель испаряется и струйки раствора превращаются в тончайшие нити ацетатного шелка.

Говоря о применении целлюлозы, нельзя не сказать о том, что большое количество целлюлозы расходуется для изготовления различной бумаги. Бумага – это тонкий слой волокон клетчатки, проклеенный и спрессованный на специальной бумагоделательной машине.

ЦЕЛЛЮЛОЗА
клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы - волоски семян хлопчатника.
Очистка и выделение. В настоящее время промышленное значение имеют лишь два источника целлюлозы - хлопок и древесная масса. Хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу и не требует сложной обработки, чтобы стать исходным материалом для изготовления искусственного волокна и неволокнистых пластиков. После того как от хлопкового семени отделены длинные волокна, используемые для изготовления хлопчатобумажных тканей, остаются короткие волоски, или "линт" (хлопковый пух), длиной 10-15 мм. Линт отделяют от семени, в течение 2-6 ч нагревают под давлением с 2,5-3%-м раствором гидроксида натрия, затем промывают, отбеливают хлором, снова промывают и сушат. Полученный продукт представляет собой целлюлозу чистоты 99%. Выход равен 80% (масс.) линта, а остальное приходится на лигнин, жиры, воски, пектаты и шелуху семян. Древесную массу делают обычно из древесины деревьев хвойных пород. Она содержит 50-60% целлюлозы, 25-35% лигнина и 10-15% гемицеллюлоз и нецеллюлозных углеводородов. В сульфитном процессе древесную щепу варят под давлением (около 0,5 МПа) при 140° C с диоксидом серы и бисульфитом кальция. При этом лигнины и углеводороды переходят в раствор и остается целлюлоза. После промывки и отбеливания очищенная масса отливается в рыхлую бумагу, похожую на промокательную, и сушится. Такая масса на 88-97% состоит из целлюлозы и вполне пригодна для химической переработки в вискозное волокно и целлофан, а также в производные целлюлозы - сложные и простые эфиры. Процесс регенерации целлюлозы из раствора при добавлении кислоты в ее концентрированный медноаммиачный (т.е. содержащий сульфат меди и гидроксид аммония) водный раствор был описан англичанином Дж.Мерсером около 1844. Но первое промышленное применение этого метода, положившее начало промышленности медно-аммиачного волокна, приписывается Е. Швейцеру (1857), а дальнейшее его развитие - заслуга М. Крамера и И. Шлоссбергера (1858). И только в 1892 Кросс, Бевин и Бидл в Англии изобрели процесс получения вискозного волокна: вязкий (откуда название вискоза) водный раствор целлюлозы получался после обработки целлюлозы сначала крепким раствором едкого натра, что давало "натронную целлюлозу", а затем - дисульфидом углерода (CS2), в результате чего получался растворимый ксантогенат целлюлозы. При выдавливании струйки этого "прядильного" раствора через фильеру с малым круглым отверстием в кислотную ванну целлюлоза регенерировалась в форме вискозного волокна. При выдавливании раствора в такую же ванну через фильеру с узкой щелью получалась пленка, названная целлофаном. Ж. Бранденбергер, занимавшийся во Франции этой технологией с 1908 по 1912, первым запатентовал непрерывный процесс изготовления целлофана.
Химическая структура. Несмотря на широкое промышленное применение целлюлозы и ее производных, принятая в настоящее время химическая структурная формула целлюлозы была предложена (У.Хоуорсом) лишь в 1934. Правда, с 1913 была известна ее эмпирическая формула C6H10O5, определенная по данным количественного анализа хорошо промытых и высушенных образцов: 44,4% C, 6,2% H и 49,4% O. Благодаря работам Г.Штаудингера и К.Фройденберга было известно также, что это длинноцепная полимерная молекула, состоящая из показанных на рис. 1 повторяющихся глюкозидных остатков. Каждое звено имеет три гидроксильные группы - одну первичную (- CH2ЧOH) и две вторичные (>CHЧOH). К 1920 Э.Фишер установил структуру простых сахаров, и в том же самом году рентгенографические исследования целлюлозы впервые показали четкую дифракционную картину ее волокон. Рентгенограмма волокна хлопка указывает на четко выраженную кристаллическую ориентацию, но волокно льна еще более упорядочено. При регенерации целлюлозы в форме волокна кристалличность в значительной мере теряется. Как нетрудно видеть в свете достижений современной науки, структурная химия целлюлозы практически стояла на месте с 1860 по 1920 по той причине, что все это время оставались в зачаточном состоянии вспомогательные научные дисциплины, необходимые для решения проблемы.

РЕГЕНЕРИРОВАННАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА
Вискозное волокно и целлофан. И вискозное волокно, и целлофан - это регенерированная (из раствора) целлюлоза. Очищенная природная целлюлоза обрабатывается избытком концентрированного гидроксида натрия; после удаления избытка ее комки растирают и полученную массу выдерживают в тщательно контролируемых условиях. При таком "старении" уменьшается длина полимерных цепей, что способствует последующему растворению. Затем измельченную целлюлозу смешивают с дисульфидом углерода и образовавшийся ксантогенат растворяют в растворе едкого натра для получения "вискозы" - вязкого раствора. Когда вискоза попадает в водный раствор кислоты, из нее регенерируется целлюлоза. Упрощенные суммарные реакции таковы:

Вискозное волокно, получаемое выдавливанием вискозы через малые отверстия фильеры в раствор кислоты, широко применяется для изготовления одежды, драпировочных и обивочных тканей, а также в технике. Значительные количества вискозного волокна идут на технические ремни, ленты, фильтры и шинный корд.
Целлофан. Целлофан, получаемый выдавливанием вискозы в кислую ванну через фильеру с узкой щелью, проходит затем через ванны промывки, отбеливания и пластификации, пропускается через сушильные барабаны и сматывается в рулон. Поверхность целлофановой пленки почти всегда покрывают нитроцеллюлозой, смолой, каким-либо воском или лаком, чтобы уменьшить пропускание паров воды и обеспечить возможность термической герметизации, так как целлофан без покрытия не обладает свойством термопластичности. На современных производствах для этого используются полимерные покрытия поливинилиденхлоридного типа, поскольку они в меньшей степени влагопроницаемы и дают более прочное соединение при термогерметизации. Целлофан широко применяется главным образом в тароупаковочном производстве как оберточный материал для галантерейных товаров, пищевых продуктов, табачных изделий, а также в качестве основы для самоклеющейся упаковочной ленты.
Вискозная губка. Наряду с получением волокна или пленки, вискозу можно смешать с подходящими волокнистыми и мелкокристаллическими материалами; после кислотной обработки и водного выщелачивания такая смесь преобразуется в вискозный губчатый материал (рис. 2), который применяется для упаковки и теплоизоляции.

Медноаммиачное волокно. Волокно из регенерированной целлюлозы производится в промышленных масштабах также путем растворения целлюлозы в концентрированном медноаммиачном растворе (CuSO4 в NH4OH) и формования из полученного раствора волокна в кислотной осадительной ванне. Такое волокно называется медноаммиачным.
СВОЙСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Химические свойства. Как показано на рис. 1, целлюлоза представляет собой высокополимерный углевод, состоящий из глюкозидных остатков C6H10O5, соединенных эфирными мостиками в положении 1,4. Три гидроксильные группы в каждом глюкопиранозном звене могут быть этерифицированы такими органическими агентами, как смесь кислот и ангидридов кислот с соответствующим катализатором, например серной кислотой. Простые эфиры могут образовываться в результате действия концентрированного гидроксида натрия, приводящего к образованию натронной целлюлозы, и последующей реакции с алкилгалогенидом:

Реакция с оксидом этилена или пропилена дает гидроксилированные простые эфиры:

Наличием этих гидроксильных групп и геометрией макромолекулы обусловлено сильное полярное взаимное притяжение соседних звеньев. Силы притяжения столь велики, что обычные растворители не в состоянии разорвать цепь и растворить целлюлозу. Эти свободные гидроксильные группы ответственны также за большую гигроскопичность целлюлозы (рис. 3). Этерификация и эфиризация понижают гигроскопичность и повышают растворимость в обычных растворителях.

Под действием водного раствора кислоты разрываются кислородные мостики в положении 1,4-. Полный разрыв цепи дает глюкозу - моносахарид. Первоначальная длина цепи зависит от происхождения целлюлозы. Она максимальна в природном состоянии и уменьшается в процессе выделения, очистки и преобразования в производные соединения (см. таблицу).

СТЕПЕНЬ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Материал Число глюкозидных остатков
Необработанный хлопок 2500-3000
Очищенный хлопковый линт 900-1000
Очищенная древесная масса 800-1000
Регенерированная целлюлоза 200-400
Промышленный ацетат целлюлозы 150-270

Даже механический сдвиг, например при абразивном размельчении, приводит к уменьшению длины цепей. При уменьшении длины полимерной цепи ниже определенного минимального значения изменяются макроскопические физические свойства целлюлозы. Окислительные агенты оказывают на целлюлозу воздействие, не вызывая расщепления глюкопиранозного кольца (рис. 4). Последующее действие (в присутствии влаги, например, при климатических испытаниях), как правило, приводит к разрыву цепи и увеличению числа альдегидоподобных концевых групп. Поскольку альдегидные группы легко окисляются до карбоксильных, содержание карбоксила, практически отсутствующего в природной целлюлозе, резко возрастает в условиях атмосферных воздействий и окисления.

Как и все полимеры, целлюлоза разрушается под воздействием атмосферных факторов в результате совместного действия кислорода, влаги, кислотных компонентов воздуха и солнечного света. Важное значение имеет ультрафиолетовая составляющая солнечного света, и многие хорошо защищающие от УФ-излучения агенты увеличивают срок службы изделий из производных целлюлозы. Кислотные компоненты воздуха, такие, как оксиды азота и серы (а они всегда присутствуют в атмосферном воздухе промышленных районов), ускоряют разложение, зачастую оказывая более сильное воздействие, чем солнечный свет. Так, в Англии было отмечено, что образцы хлопка, испытывавшиеся на воздействие атмосферных условий, зимой, когда практически не было яркого солнечного света, деградировали быстрее, чем летом. Дело в том, что сжигание зимой больших количеств угля и газа приводило к повышению в воздухе концентрации оксидов азота и серы. Кислотные поглотители, антиоксиданты и агенты, поглощающие УФ-излучение, снижают чувствительность целлюлозы к атмосферным воздействиям. Замещение свободных гидроксильных групп приводит к изменению такой чувствительности: нитрат целлюлозы деградирует быстрее, а ацетат и пропионат - медленнее.
Физические свойства. Полимерные цепи целлюлозы упакованы в длинные пучки, или волокна, в которых наряду с упорядоченными, кристаллическими имеются и менее упорядоченные, аморфные участки (рис. 5). Измеренный процент кристалличности зависит от типа целлюлозы, а также от способа измерения. По рентгеновским данным, он составляет от 70% (хлопок) до 38-40% (вискозное волокно). Рентгенографический структурный анализ дает информацию не только о количественном соотношении между кристаллическим и аморфным материалом в полимере, но и о степени ориентации волокна, вызываемой растяжением или нормальными процессами роста. Резкость дифракционных колец характеризует степень кристалличности, а дифракционные пятна и их резкость - наличие и степень предпочтительной ориентации кристаллитов. В образце вторичного ацетата целлюлозы, полученного процессом "сухого" формования, и степень кристалличности, и ориентация весьма незначительны. В образце триацетата степень кристалличности больше, но предпочтительная ориентация отсутствует. Термообработка триацетата при температуре 180-240° C заметно повышает степень его кристалличности, а ориентирование (вытягиванием) в сочетании с термообработкой дает самый упорядоченный материал. Лен обнаруживает высокую степень и кристалличности, и ориентации.
См. также
ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ ;
БУМАГА И ПРОЧИЕ ПИСЧИЕ МАТЕРИАЛЫ ;
ПЛАСТМАССЫ .

Рис. 5. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА целлюлозы. Молекулярные цепи проходят через несколько мицелл (кристаллических областей) протяженностью L. Здесь A, A" и B" - концы цепей, лежащие в кристаллизованной области; B - конец цепи вне кристаллизованной области.

ЛИТЕРАТУРА
Бушмелев В.А., Вольман Н.С. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства. М., 1974 Целлюлоза и ее производные. М., 1974 Аким Э.Л. и др. Технология обработки и переработки целлюлозы, бумаги и картона. Л., 1977

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .