Целлюлоза. Промышленные способы получения целлюлозы и бумаги.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИНСТИТУТ БИЗНЕСА

Заочный факультет экономики  и права

КУРСОВАЯ  РАБОТА

Студента   Савониной Натальи Васильевны                                                                 

курс 1, группа ЭПЗ-10, специальность Экономика и управление на предприятии

Дисциплина:  Теоретические основы прогрессивных технологий (химия)

Тема: Целлюлоза. Промышленные способы получения целлюлозы и бумаги. 
 
 

                                           Руководитель-консультант:

                                                                           Минкова О.П.

_______________________________

                                                            

«Рекомендована  к защите»

________________________________

(Дата  и подпись руководителя-консультанта)

Защищена                                                                     

«_____»______________201_ г   с оценкой  «________________»                          

                                                        ________________________________

                                                        (Дата и подпись руководителя-консультанта и                               

                                                                         представителя деканата) 
 
 

Москва 2011 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

      

     ВВЕДЕНИЕ

     Более 170 лет целлюлозу называют целлюлозой. Между тем материалы, созданные на ее основе, сопровождают человека всю жизнь. Хлопчатобумажные ткани, бумага и картон, вискозные и ацетатные волокна, бездымный порох, целлофан, пластмасса и лаки, и т.д.

       Появление названия «целлюлоза»  связано с работой талантливого, но почти забытого сейчас ученого — Ансельма Пейна.

     Целлюлоза — самый распространенный на Земле  биополимер. В древесине его масса составляет 40-50%, в камышах, злаках и подсолнечнике — 30-40%, в стеблях льна и джута — 75-90%, а в волокнах хлопка — 95%. Это линейный полисахарид, образованный не менее чем 500 остатками глюкозы (в целлюлозе древесины их 2-3 тыс., а льна — до 30 тыс.). Ансельм Пейн стал открывателем нового химического соединения. «Я рассмотрел только появляющееся клеточное вещество у растущих растений с целью определения его состава, исследовал его на разных стадиях роста, на разных концентрических кольцах древесного волокна. Это привело меня к заключению, что лигнин не единственное соединение, составляющее древесную ткань. Она состоит из двух химически разных веществ, физиологическая природа которых пока не ясна».¹ Аналитические данные этого «элементарного» вещества, полученного Пейном, следующие: 43.85% — carbon; 5.86% — hydrogen; 50.28% — oxygen.

     В дальнейшем ученый показал, что «элементарное» вещество из растений и древесины, являясь их структурным изомером, имеет тот же процентный состав, что и крахмалы. Во время своих исследований он выделил вещество, которому дал название «инкрустирующий материал». Через 20 лет, в 1857 году, исходя из его работ, Шульц определил это вещество как лигнин. Однако термин «целлюлоза» присутствует уже в статье Пейна. Новое открытие ознаменовалось созданием целого направления науки — химии целлюлозы.

     Открытие  Пейна стимулировало активные поиски способов и принципов переработки целлюлозы. До открытия лигнина в 1846 году в Германии впервые удалось перевести целлюлозу в нитроцеллюлозу действием азотной кислоты. Уже в 1855 году был получен патент на производство нитроцеллюлозных волокон, но, несмотря на достаточно высокие качественные характеристики, из-за высокой огнеопасности они не могли быть использованы в обычном производстве.

     В 1883 году Дж. Свои, работая над проблемой  получения нити накала для электрического освещения, в качестве побочной линии своих исследований запатентовал метод продавливания нитроцеллюлозного раствора через фильтр с последующим переводом полученного волокна химическим способом обратно в обычную целлюлозу.

     Объединил все эти исследования француз  К. X. Шардоне, получивший волокно, названное  им искусственным шелком. Его методика почти не отличалась от английского метода.

     В 1889 году на выставке в Париже был  представлен первый образец нового текстильного материала.² Первое в мире коммерческое крупнотоннажное производство целлюлозных волокон было начато в 1891 году. Хотя метод Шардоне был достаточно прост, его потенциальная опасность (из-за применения нитроцеллюлозы), низкая скорость и дороговизна стали причиной того, что уже в 1890 году был получен патент на растворение целлюлозы в смеси солей меди и аммиака, с последующей экструзией полученного волокна в коагуляционную ванну. Заменив собой метод Шардоне, этот способ также вышел из употребления из-за своей высокой стоимости. В 1892 году его заменил метод, основанный на получении из целлюлозы вискозы, с последующей регенерацией ее в кислотной ванне.

     Промышленное  производство было начато в 1905 году и продолжается до настоящего времени. Второе по размеру производство целлюлозных материалов началось после Первой Мировой войны. Два шведа Генри и Камиль Дрейфусы в 1921 году стали изготавливать волокна на основе раствора ацетата целлюлозы под коммерческим названием Celanese. Процесс состоял из перевода целлюлозы в ацетат и его растворения в ацетоне; полученный раствор затем использовался для производства волокна методом экструзии.

     Объект  исследования – целлюлоза, как самый  распространенный на Земле биополимер.

     Предмет исследования – целлюлоза и её  производные .

     Цель  работы: рассмотреть различные способы  получения целлюлозы и бумаги.

     Задачи  работы:

- изучить  структуру молекулы целлюлозы;

- рассмотреть  свойства целлюлозы;

- определить  основные источники целлюлозы;

- проанализировать  способы получения;

- изучить  процесс изготовления бумаги.

     Рассматриваемая в работе тема достаточно освещена в литературе. Можно отметить труды таких авторов, как Ковернинский И.Н., Комаров В.И., Третьяков С.И., Богданович Н.И., Соколов О.М., Кутакова Н.А., Селянина Л.И. 
 
 
 
 
 
 

     ГЛАВА 1. ЦЕЛЛЮЛОЗА

     Целлюлоза- клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы - волоски семян хлопчатника.

     1.1 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 г.³ Правда, с 1913 г. 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.

     Рис.1 Структура молекулы целлюлозы

     Каждое  звено имеет три гидроксильные  группы – одну первичную (– CH2 Ч OH) и две вторичные (>CH Ч OH). К 1920 г. 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.

     1.2 Свойства целлюлозы

     Молекулярная  формула целлюлозы (-C6H10O5-)n, как и у крахмала. Целлюлоза тоже является  природным  полимером.  Ее  макромалекула  состоит  из  многих остатков  молекул  глюкозы. Макромолекулы  целлюлозы, состоят из остатков молекулы  β-глюкозы и имеют только линейное  строение.  Макромолекулы  целлюлозы  располагаются  в одном направлении и образуют волокна (лен, хлопок, конопля). В каждом остатке молекулы глюкозы содержатся три гидроксильные группы.

     Целлюлоза – волокнистое вещество. Она  не  плавится  и  не  переходит  в парообразное  состояние:  при  нагревании  примерно   до   350оС   целлюлоза разлагается  –  обугливается.  Целлюлоза  нерастворима  ни  в  воде,  ни   в большинстве других неорганических и органических растворителях.

       Растворителем целлюлозы является  реактив Швейцера –  раствор   гидроксида меди  (II)  с  аммиаком,  с  которым  она  одновременно  и  взаимодействует. Концентрированные кислоты (серная, фосфорная)  и  концентрированный  раствор хлорида  цинка  также  растворяют  целлюлозу,  но  при  этом  происходит  ее частичный  распад  (гидролиз),  сопровождающийся  уменьшением   молекулярной массы.

     1.Действуя  металлическим   натрием,   можно   получить алкоголят целлюлозы.

     2.При   взаимодействии  целлюлозы  с   азотной   кислотой   в   присутствии концентрированной  серной  кислоты,  в  зависимости  от  условий  образуются динитроцеллюлоза и тринитроцеллюлоза, являющиеся сложными эфирами.

     Рис.2 Алкоголят целлюлозы

     Рис.3 Тринитроцеллюлоза

     3.Одно  из  наиболее  характерных свойств целлюлозы  –   способность   в присутствии  кислот   подвергаться   гидролизу   с   образованием   глюкозы. Аналогично крахмалу гидролиз целлюлозы протекает ступенчато.  Суммарно  этот процесс можно изобразить так:

     

     1.3 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.