RU2570092C2 - Methods of detecting differences in cellulose structural condition - Google Patents

Methods of detecting differences in cellulose structural condition Download PDF

Info

Publication number
RU2570092C2
RU2570092C2 RU2013143931/28A RU2013143931A RU2570092C2 RU 2570092 C2 RU2570092 C2 RU 2570092C2 RU 2013143931/28 A RU2013143931/28 A RU 2013143931/28A RU 2013143931 A RU2013143931 A RU 2013143931A RU 2570092 C2 RU2570092 C2 RU 2570092C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cellulose
scattering
angles
sample
holder
Prior art date
Application number
RU2013143931/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013143931A (en
Inventor
Людмила Александровна Алешина
Наталья Валерьевна Мелех
Светлана Валерьевна Фролова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петрозаводский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петрозаводский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Петрозаводский государственный университет"
Priority to RU2013143931/28A priority Critical patent/RU2570092C2/en
Publication of RU2013143931A publication Critical patent/RU2013143931A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2570092C2 publication Critical patent/RU2570092C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: samples of cellulose objects are produced in form of flatly-parallel plates or pressed tablets and installed in holder in such a way that in geometry for reflection axes of fibres are parallel to reflection planes, and in geometry for translucence - perpendicular, which makes it possible to determine width and length of elementary fibrilla respectively. To determine degree of crystallinity selected is area of scattering angles, in which maximum, corresponding to scattering of amorphous component, is registered completely, pneumonogram in the area is separated into peaks, corresponding to scattering of amorphous component and refractions from crystallographic planes, which belong to the same range of angles. By integral widths of refractions sizes of crystallites in specified crystallographic directions are determined. To determine periods and angles of elementary cell applied is additional holder, which makes it possible to realise rotation of sample in its plane, diffractogram is registered in the entire interval of scattering angles with minimally possible step by angle, and then analysed, applying structural characteristics if different polymorphous modifications of cellulose.
EFFECT: provision of possibility of complex research of changes in the structure of amorphous-crystalline celluloses, which occur at the atomic, molecular and supramolecular levels with simultaneous reduction of time spent on each research, as well as increased accuracy of determination of elementary cell periods to the fourth sign after comma.
4 dwg, 6 tbl

Description

Изобретение относится к области физики, а именно к исследованию сверхтонкой структуры вещества в исходном состоянии и под влиянием различных физико-химических воздействий при помощи дифракции рентгеновских лучей, и может быть использовано для соответствующего контроля в области производства модифицированных целлюлозных материалов и создания физических основ промышленной технологии получения целлюлозных материалов с определенными свойствами.The invention relates to the field of physics, namely to the study of the ultrafine structure of a substance in its initial state and under the influence of various physicochemical effects using x-ray diffraction, and can be used for appropriate control in the production of modified cellulosic materials and creating the physical foundations of an industrial technology for cellulosic materials with specific properties.

Физико-химические воздействия, такие как дефибрирование, воздействие высоких температур, окислителей, натронная (сульфатная или крафтовая) или кислотная (сульфитная, бисульфитная) варка, мерсеризация, регенерация, отбелка, ферментативная деструкция и т.п. приводят к изменению атомной, молекулярной и надмолекулярной структуры целлюлозных материалов. Для оценки структурного состояния такого сложного многокомпонентного природного объекта, имеющего различные полиморфные модификации, одной методики исследования недостаточно и необходим комплексный подход к его изучению с помощью совокупности последовательно применяемых методик.Physico-chemical effects, such as defibration, exposure to high temperatures, oxidizing agents, soda (sulfate or craft) or acid (sulfite, bisulfite) cooking, mercerization, regeneration, bleaching, enzymatic destruction, etc. lead to a change in the atomic, molecular and supramolecular structure of cellulosic materials. To assess the structural state of such a complex multicomponent natural object with various polymorphic modifications, one research technique is not enough and an integrated approach to its study using a combination of sequentially applied techniques is needed.

Целлюлоза - двухфазный материал, кристаллические и аморфные участки которого не имеют четких границ: переход от упорядоченного состояния к аморфному происходит постепенно. Для исследования структурного состояния таких объектов на всех уровнях (атомном, молекулярном и надмолекулярном) необходимо определить следующие характеристики:Cellulose is a two-phase material, the crystalline and amorphous regions of which do not have clear boundaries: the transition from an ordered to an amorphous state occurs gradually. To study the structural state of such objects at all levels (atomic, molecular and supramolecular), it is necessary to determine the following characteristics:

- величину относительного содержания кристаллической части в материале - степень кристалличности;- the value of the relative content of the crystalline part in the material is the degree of crystallinity;

- величину, характеризующую надмолекулярное строение кристаллической составляющей целлюлозы - размер областей когерентного рассеяния, называемых областями кристалличности;- the value characterizing the supramolecular structure of the crystalline component of cellulose is the size of the coherent scattering regions, called crystallinity regions;

- параметры, описывающие атомно-молекулярную структуру областей кристалличности - периоды и углы элементарной ячейки и характер упаковки молекул в ячейке.- parameters describing the atomic-molecular structure of crystallinity regions — periods and angles of the unit cell and the nature of the packing of the molecules in the cell.

В литературе известны отдельные методы исследования структурного состояния материалов, позволяющие определить степень кристалличности, размеры кристаллитов, периоды и углы элементарной ячейки.Separate methods for studying the structural state of materials are known in the literature, which make it possible to determine the degree of crystallinity, crystallite sizes, periods and unit cell angles.

Известен метод Руланда-Вонка [1], согласно которому степень кристалличности рассчитывается как отношение интегральной интенсивности рассеяния кристаллической фазой к сумме интегральных интенсивностей рассеяния кристаллической и аморфной фазами. Для расчета интенсивности рассеяния аморфной составляющей требуется использование стандарта.The Ruland-Wonka method [1] is known, according to which the degree of crystallinity is calculated as the ratio of the integrated scattering intensity of the crystalline phase to the sum of the integrated scattering intensities of the crystalline and amorphous phases. To calculate the scattering intensity of the amorphous component, the use of a standard is required.

Однако данный метод позволяет определить лишь единственную характеристику структуры материалов - степень кристалличности - как соотношение числа фрагментов структуры, находящихся в упорядоченном состоянии, и полного числа их в материале и непригоден для определения комплекса параметров структуры целлюлоз.However, this method allows us to determine only the only characteristic of the structure of materials - the degree of crystallinity - as the ratio of the number of structural fragments in an ordered state and their total number in the material and is unsuitable for determining the complex parameters of the structure of cellulose.

Известен метод оценки размеров областей когерентного рассеяния (некой характерной области кристалла, рассеивающей рентгеновские лучи независимо от других таких же областей) по формуле Шеррера [2], согласно которой размер ОКР в направлении нормали к отражающим плоскостям с индексами (hkl) рассчитывается как отношение произведения длины волны рентгеновского излучения и константы, зависящей от формы ОКР, к произведению физического уширения βhkl отражения с индексами (hkl) и косинуса брегговского угла θhkl.There is a known method for estimating the sizes of coherent scattering regions (a certain characteristic region of a crystal scattering X-rays independently of other similar regions) using the Scherrer formula [2], according to which the CSR size in the direction of the normal to the reflecting planes with indices (hkl) is calculated as the ratio of the product of length x-ray waves and a constant depending on the CSR shape and the product of the physical broadening of β hkl reflection with indices (hkl) and the cosine of the Bragg angle θ hkl .

Из эксперимента рассчитываются интегральные ширины отражений (Bhkl) материала, равные отношению площади под максимумом (интегральной интенсивности) соответствующей линии образца к ее высоте. В интегральные ширины отражений необходимо ввести поправки на инструментальное уширение (bhkl), определяемое как отношение интегральной интенсивности соответствующей линии эталона к ее высоте. Физическое уширение βhkl отражения с индексами (hkl) рассчитывается либо как разность ширины отражения Bhkl и инструментального уширения bhkl, либо как квадратный корень из разности их квадратов.From the experiment, the integral reflection widths (B hkl ) of the material are calculated, which are equal to the ratio of the area under the maximum (integrated intensity) of the corresponding line of the sample to its height. Corrections for instrumental broadening (b hkl ), defined as the ratio of the integrated intensity of the corresponding standard line to its height, must be introduced into the integral widths of reflections. The physical broadening β hkl of the reflection with indices (hkl) is calculated either as the difference between the reflection width B hkl and the instrumental broadening b hkl , or as the square root of the difference in their squares.

Однако указанный метод позволяет определить лишь единственную характеристику структуры материалов - размеры упорядоченных областей кристаллической составляющей - и непригоден для определения комплекса параметров структуры целлюлоз.However, this method allows you to determine only the only characteristic of the structure of materials - the sizes of the ordered regions of the crystalline component - and is unsuitable for determining the complex parameters of the structure of cellulose.

Известны следующие методы определения и уточнения периодов элементарной ячейки.The following methods are known for determining and refining unit cell periods.

1. Метод индицирования рентгенограмм. В случае если элементарная ячейка неизвестна, для индицирования используют метод Липсона [3]. Далее периоды и угол моноклинности элементарной ячейки рассчитывают с использованием квадратичных форм кристалла.1. The method of indicating radiographs. If the unit cell is unknown, the Lipson method [3] is used for indication. Next, the periods and the monoclinic angle of the unit cell are calculated using quadratic crystal forms.

Однако для определения периодов и угла моноклинности элементарной ячейки с использованием данного метода требуется не менее 4-х хорошо разрешенных интенсивных рефлекса, что затруднительно в случае исследования целлюлозных материалов, поскольку рентгенограммы целлюлоз размыты, отражения перекрываются и определение их индексов зачастую неоднозначно.However, to determine the periods and the angle of monoclinicity of the unit cell using this method, at least 4 well-resolved intense reflexes are required, which is difficult in the study of cellulosic materials, since the X-ray diffraction patterns of the celluloses are blurred, the reflections overlap and the determination of their indices is often ambiguous.

2. Метод полнопрофильного анализа (метод Ритвельда) - основан на сведении к минимуму разности между теоретическим и экспериментальным профилями рентгенограммы [4]. Периоды и углы элементарной ячейки при этом уточняются как профильные параметры рентгенограммы.2. The method of full-profile analysis (Rietveld method) is based on minimizing the difference between the theoretical and experimental profiles of the x-ray [4]. The periods and angles of the unit cell are then specified as profile parameters of the radiograph.

Использование метода полнопрофильного анализа в применении к целлюлозным материалам требует разработки определенной стратегии уточнения и в таком виде не может быть использован для определения параметров целлюлоз.The use of the method of full-profile analysis as applied to cellulosic materials requires the development of a specific refinement strategy and in this form cannot be used to determine the parameters of cellulose.

Известен способ определения остаточных напряжений в изделиях из монокристаллических материалов рентгеновским методом, в котором для определения остаточных напряжений в выбранном и перпендикулярном выбранному направлениях используют такие кристаллографические плоскости, рефлексы от которых находятся в прецизионной области и проекции нормалей которых на поверхность контролируемого изделия имеют минимальный угол отклонения от выбранного направления. Затем поочередно выводят выбранные плоскости в отражающее положение путем вращения и наклона образца, воздействуют параллельным рентгеновским пучком на контролируемое изделие, регистрируют рефлексы от выбранных плоскостей, обрабатывают рефлексы для определения угловых положений, определяют истинные периоды кристаллических решеток каждой из фаз, неискаженные остаточными напряжениями, а затем определяют остаточные напряжения [5].A known method for determining the residual stresses in products from single-crystal materials by the X-ray method, in which to determine the residual stresses in the selected and perpendicular to the selected directions, such crystallographic planes are used, the reflections from which are in the precision region and whose normal projections onto the surface of the controlled product have a minimum angle of deviation from selected direction. Then, the selected planes are alternately brought into the reflecting position by rotating and tilting the sample, acting on a controlled product in parallel with an X-ray beam, recording reflections from the selected planes, processing reflections to determine the angular positions, determining the true periods of the crystal lattices of each phase, undistorted by residual stresses, and then determine the residual stress [5].

Данный метод позволяет определить лишь остаточные напряжения, а также истинные периоды кристаллической решетки монокристаллов и не предназначен для определения характеристик структуры аморфно-кристаллических целлюлозных материалов.This method allows you to determine only the residual stresses, as well as the true periods of the crystal lattice of single crystals and is not intended to determine the structural characteristics of amorphous-crystalline cellulose materials.

Таким образом, указанные известные способы не позволяют определить характеристики структуры целлюлозных материалов (периоды и углы элементарной ячейки, степень кристалличности и размеры кристаллитов) на всех уровнях - атомном, молекулярном и надмолекулярном.Thus, these known methods do not allow to determine the structural characteristics of cellulosic materials (periods and unit cell angles, crystallinity and crystallite sizes) at all levels - atomic, molecular and supramolecular.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности комплексных исследований изменений структуры аморфно-кристаллических целлюлоз, происходящих на атомном, молекулярном и надмолекулярном уровнях, за счет увеличения количества исследуемых параметров целлюлозы, при одновременном сокращении времени, затрачиваемого на каждое исследование, и повышении точности определения периодов элементарной ячейки до четвертого знака после запятой.The technical result of the invention is to enable comprehensive studies of changes in the structure of amorphous crystalline celluloses occurring at the atomic, molecular and supramolecular levels, by increasing the number of studied parameters of cellulose, while reducing the time spent on each study, and increasing the accuracy of determining the periods of the unit cell to the fourth decimal place.

Технический результат достигается тем, что образцы целлюлозных объектов изготавливают в форме плоскопараллельных пластинок или прессованных таблеток и устанавливают в держателе последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно падающего луча, в геометрии на отражение образец устанавливают в держатель так, чтобы оси волокон были параллельны отражающим плоскостям, и определяют толщину элементарной фибриллы, затем в геометрии на просвет образец устанавливают так, чтобы оси волокон были перпендикулярны отражающим плоскостям, и определяют длину элементарной фибриллы, для определения степени кристалличности выбирают область углов рассеяния, в которой полностью регистрируется максимум, соответствующий рассеянию аморфной составляющей, затем эту область разделяют на пики, соответствующие рассеянию аморфной составляющей и отражениям от кристаллографических плоскостей, попадающим в тот же самый диапазон углов, и по соотношению интегральных интенсивностей рассеяния устанавливают степень кристалличности, а по интегральным ширинам отражений устанавливают размеры кристаллитов в заданных кристаллографических направлениях, затем для определения периодов и углов элементарной ячейки образец извлекают из держателя и устанавливают на дифрактометр в дополнительный держатель, позволяющий осуществлять вращение образца в своей плоскости, дифрактограмму регистрируют во всем интервале углов рассеяния с минимально возможным шагом по углу и полученную дифракционную картину анализируют, используя структурные характеристики различных полиморфных модификаций целлюлозы. Изобретение иллюстрируют 6 табл., 4 фиг.The technical result is achieved by the fact that the samples of cellulose objects are made in the form of plane-parallel plates or pressed tablets and installed in the holder in series in two mutually perpendicular directions relative to the incident beam, in the reflection geometry the sample is installed in the holder so that the fiber axes are parallel to the reflecting planes, and the thickness of the elementary fibril is determined, then in geometry the sample is set to the light so that the fiber axes are perpendicular to the reflection length of the elementary fibril, determine the length of the elementary fibril, to determine the degree of crystallinity, choose the region of scattering angles in which the maximum corresponding to the scattering of the amorphous component is completely recorded, then this region is divided into peaks corresponding to the scattering of the amorphous component and reflections from crystallographic planes falling into the same the very range of angles, and by the ratio of the integrated scattering intensities, the degree of crystallinity is established, and by the integrated reflection widths the crystallite sizes are adjusted in the given crystallographic directions, then, to determine the periods and angles of the unit cell, the sample is removed from the holder and mounted on the diffractometer in an additional holder that allows the sample to rotate in its plane, the diffraction pattern is recorded over the entire range of scattering angles with the smallest possible angle step and The obtained diffraction pattern is analyzed using the structural characteristics of various polymorphic modifications of cellulose. The invention is illustrated in Table 6, Figure 4.

Способ выявления различий структурного состояния целлюлозы включает в себя следующие операции:A method for detecting differences in the structural state of cellulose includes the following operations:

- изготовление образцов целлюлозных объектов в форме плоскопараллельных пластинок или прессованных таблеток;- the manufacture of samples of cellulose objects in the form of plane-parallel plates or pressed tablets;

- установку образца в держателе последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно падающего луча;- installation of the sample in the holder sequentially in two mutually perpendicular directions relative to the incident beam;

- облучение образца монохроматическим рентгеновским излучением;- irradiation of the sample with monochromatic x-ray radiation;

- регистрацию дифрактограмм в разных диапазонах углов дифракции в форме профиля интенсивности дифрагированного рентгеновского излучения, в геометрии, при которой счетчик квантов рентгеновского излучения движется со скоростью, вдвое большей, чем образец, который в геометрии на отражение устанавливают в держатель так, чтобы оси волокон были параллельны отражающим плоскостям, и определяют толщину элементарной фибриллы, затем в геометрии на просвет образец устанавливают так, чтобы оси волокон были перпендикулярны отражающим плоскостям, и определяют длину элементарной фибриллы;- registration of diffraction patterns in different ranges of diffraction angles in the form of an intensity profile of diffracted x-ray radiation, in a geometry in which the x-ray quantum counter moves at a speed twice that of the sample, which in reflection geometry is mounted in the holder so that the fiber axes are parallel reflecting planes, and determine the thickness of the elementary fibrils, then in geometry the clearance of the sample is set so that the fiber axes are perpendicular to the reflecting planes, determine the length of the elementary fibrils;

- выбор на полученной рентгенограмме области углов рассеяния, в которой полностью регистрируется максимум, соответствующий рассеянию аморфной составляющей, и разделение этой области на пики, соответствующие рассеянию аморфной составляющей и отражениям от кристаллографических плоскостей, попадающим в тот же самый диапазон углов;- the choice on the obtained x-ray of the region of scattering angles, in which the maximum corresponding to the scattering of the amorphous component is completely recorded, and the division of this region into peaks corresponding to the scattering of the amorphous component and reflections from crystallographic planes falling within the same range of angles;

- оценку по соотношению интегральных интенсивностей рассеяния степени кристалличности;- an estimate of the degree of crystallinity by the ratio of the integrated intensities of scattering;

- оценку по интегральным ширинам отражений размеров кристаллитов в заданных кристаллографических направлениях;- an estimate of the integrated widths of reflections of crystallite sizes in predetermined crystallographic directions;

- извлечение образца из держателя;- removing the sample from the holder;

- установку на дифрактометре дополнительного держателя, позволяющего осуществлять вращение образца в своей плоскости;- installation of an additional holder on the diffractometer, allowing rotation of the sample in its plane;

- установку извлеченного образца в дополнительном держателе;- installation of the extracted sample in an additional holder;

- регистрацию дифрактограммы во всем интервале углов рассеяния с минимально возможным шагом по углу;- registration of the diffraction pattern in the entire range of scattering angles with the minimum possible step in the angle;

- анализ полученной дифракционной картины с использованием структурных характеристик различных полиморфных модификаций целлюлозы.- analysis of the obtained diffraction pattern using the structural characteristics of various polymorphic modifications of cellulose.

Способ выявления различий структурного состояния целлюлозы осуществляют с помощью автоматизированного рентгеновского дифрактометра, включающего источник рентгеновского излучения, гониометр с держателем образца, детектор рентгеновского излучения и систему регистрации спектров дифракции с программно-ориентированными комплексами обработки и анализа дифракционных картин.A method for detecting differences in the structural state of cellulose is carried out using an automated X-ray diffractometer, including an X-ray source, a goniometer with a sample holder, an X-ray detector and a system for recording diffraction spectra with program-oriented complexes for processing and analysis of diffraction patterns.

Образцы волокнистой технической целлюлозы и древесины выполняют в виде плоскопараллельных пластинок. Для этого порошковые образцы помещают в кювету со слабой связкой в виде раствора клея, например, БФ-2 в спирте, либо прессуют в виде тонких плоскопараллельных пластинок или таблеток.Samples of fibrous technical cellulose and wood are in the form of plane-parallel plates. For this, powder samples are placed in a cuvette with a weak bond in the form of a solution of glue, for example, BF-2 in alcohol, or pressed in the form of thin plane-parallel plates or tablets.

Образцы размещают в держателе, создавая возможность регистрации дифракционных картин в геометриях на прохождение (на просвет), так, чтобы оси волокон были перпендикулярны отражающим плоскостям, и на отражение рентгеновских лучей, так, чтобы оси волокон был параллельны отражающим плоскостям, с вращением образца в своей плоскости и без вращения.Samples are placed in the holder, making it possible to register diffraction patterns in transmission geometries (in the light), so that the fiber axes are perpendicular to the reflecting planes, and to the x-ray reflection, so that the fiber axes are parallel to the reflecting planes, with the sample rotating in its plane and without rotation.

На образец направляют пучок монохроматизированного рентгеновского излучения. С использованием детектора рентгеновского излучения регистрируют распределение интенсивности дифрагированного излучения как функцию угла дифракции - дифрактограмму (рентгенограмму) образца - с записью интенсивности в файл на каждом шаге (шаг сканирования рентгенограммы выбирается в зависимости от степени ее размытия). Рентгенограмму регистрируют во всем диапазоне углов рассеяния, величину которого определяют характеристиками используемой аппаратуры.A beam of monochromatized x-ray radiation is sent to the sample. Using the X-ray detector, the intensity distribution of the diffracted radiation is recorded as a function of the diffraction angle — the diffraction pattern (x-ray) of the sample — with the intensity recorded in a file at each step (the scanning step of the x-ray diffraction is selected depending on the degree of diffusion). An X-ray diffraction pattern is recorded over the entire range of scattering angles, the value of which is determined by the characteristics of the equipment used.

Для определения степени кристалличности и размеров ОКР на дифрактограмме выделяют максимумы интенсивности, соответствующие дифракции рентгеновского излучения на атомных плоскостях кристаллической решетки, и максимум интенсивности, соответствующий диффузному рассеянию от аморфной составляющей. Рассчитывают углы рассеяния 2θ, отвечающие положениям максимумов, межплоскостные расстояния, площади под данными максимумами (интегральные интенсивности) и интегральную ширину всех максимумов. Размеры ОКР, определяемые из ширины отражений с различными индексами (hkl), позволяют охарактеризовать форму областей когерентного рассеяния (кристаллитов) целлюлозы, в частности, определить толщину и длину элементарных фибрилл.To determine the degree of crystallinity and CSR sizes, the intensity maxima corresponding to X-ray diffraction on the atomic planes of the crystal lattice and the intensity maximum corresponding to diffuse scattering from the amorphous component are distinguished on the diffractogram. The scattering angles 2θ corresponding to the positions of the maxima, interplanar distances, areas under these maxima (integral intensities) and the integral width of all maxima are calculated. The CSR sizes, determined from the width of the reflections with different indices (hkl), allow us to characterize the shape of the coherent scattering regions (crystallites) of cellulose, in particular, to determine the thickness and length of elementary fibrils.

Методом полнопрофильного анализа с использованием всей рентгенограммы уточняют периоды и углы элементарной ячейки и выбирают модель упаковки молекул. Основным критерием выбора являются минимальные значения профильного и брэгговского факторов недостоверности.By the method of full-profile analysis using the entire x-ray, the periods and angles of the unit cell are specified and the model of molecular packing is selected. The main selection criteria are the minimum values of the profile and Bragg factors of uncertainty.

Для определения степени кристалличности в заявляемом способе выявления различий структурного состояния целлюлозы применяли модифицированный метод Руланда-Вонка [1], в котором не требуется использование стандарта для расчета интенсивности рассеяния аморфной составляющей. Сущность метода заключается в том, что положение аморфного максимума определяется как положение минимума между отражениями (110) и (200), затем производят расчет интегральных интенсивностей аморфной и кристаллической составляющих путем вариации положения пиков, их максимальной интенсивности и ширины, аналогично тому, как это выполняется в методе Ритвельда.To determine the degree of crystallinity in the claimed method for detecting differences in the structural state of cellulose, the modified Ruland-Wonka method [1] was used, which does not require the use of a standard to calculate the scattering intensity of the amorphous component. The essence of the method is that the position of the amorphous maximum is determined as the position of the minimum between the reflections (110) and (200), then the integral intensities of the amorphous and crystalline components are calculated by varying the position of the peaks, their maximum intensity and width, similar to how this is done in the Rietveld method.

Для оценки размеров областей кристалличности в заявляемом способе выявления различий структурного состояния целлюлозы использовали формулу Шеррера [2], а расчет размеров ОКР проводили для нескольких кристаллографических направлений с целью обеспечения возможности охарактеризовать форму кристаллитов целлюлозных материалов. На фиг.1 в элементарной ячейке с периодами a, b и c показаны кристаллографические направления, вдоль которых рассчитывали размеры ОКР, где X, Y, Z - координатные оси, вдоль которых отложены периоды элементарной ячейки; 1 - направление длинной диагонали элементарной ячейки (нормаль к отражающей плоскости с индексами ( 1 ¯ 10

Figure 00000001
)), 2 - направление короткой диагонали элементарной ячейки ([110]), 3 - направление диагонали прямоугольника, состоящего из двух элементарных ячеек по оси Z ([102]), 4 - направление вдоль периода а элементарной ячейки ([100]) и 5 - направление вдоль периода с элементарной ячейки ([001]).To estimate the size of crystallinity regions in the claimed method for detecting differences in the structural state of cellulose, the Scherrer formula was used [2], and the size of CSR was calculated for several crystallographic directions in order to provide an opportunity to characterize the crystallite shape of cellulosic materials. Figure 1 shows in a unit cell with periods a, b, and c the crystallographic directions along which the CSR sizes were calculated, where X, Y, Z are the coordinate axes along which the unit cell periods are plotted; 1 - direction of the long diagonal of the unit cell (normal to the reflecting plane with indices ( one ¯ 10
Figure 00000001
)), 2 - the direction of the short diagonal of the unit cell ([110]), 3 - the direction of the diagonal of the rectangle, consisting of two unit cells along the Z axis ([102]), 4 - the direction along the period a of the unit cell ([100]) and 5 is a direction along a period from a unit cell ([001]).

Расчет периодов и угла элементарной ячейки, а также установление модели атомного строения в заявляемом способе выявления различий структурного состояния целлюлозы осуществляли с помощью полнопрофильного анализа (метода Ритвельда) [4]. Сложность применения метода Ритвельда к анализу аморфно-кристаллических целлюлоз связана с размытостью их дифракционных картин. Поэтому была разработана следующая стратегия расчетов.The calculation of the periods and the angle of the unit cell, as well as the establishment of a model of the atomic structure in the claimed method for detecting differences in the structural state of cellulose, was carried out using a full-profile analysis (Rietveld method) [4]. The complexity of applying the Rietveld method to the analysis of amorphous-crystalline celluloses is associated with the smearing of their diffraction patterns. Therefore, the following calculation strategy was developed.

При уточнении структуры целлюлозы I в качестве исходных данных использовали характеристики каждой из известных на сегодняшний день четырех моделей строения целлюлозы, полученных для монокристаллов: Iα, Iβ с параллельной up, down и антипараллельной ориентациями цепочек [6]. Тот вариант структуры, для которого значения факторов недостоверности были наименьшими, считался наиболее близким к структуре реального целлюлозного объекта, даже если визуально качество совпадения теоретического и экспериментального профилей было лучшим для какой-либо другой модели при больших значениях факторов недостоверности.When refining the structure of cellulose I, the characteristics of each of the four currently known models of the structure of cellulose obtained for single crystals: Iα, Iβ with parallel up, down, and antiparallel chain orientations were used as initial data [6]. The variant of the structure for which the values of the factors of uncertainty were the smallest was considered the closest to the structure of a real cellulose object, even if visually the quality of coincidence of the theoretical and experimental profiles was the best for any other model with large values of the factors of uncertainty.

После уточнения масштабного фактора, коэффициентов полинома фона, характеристик, определяющих величины сдвига нуля счетчика, эксцентриситета образца и поглощения лучей в образце, уточнения параметров функции профиля пиков и параметров элементарной ячейки, значения U, V, W, описывающие ширину отражений Hm(Hm2=Utg2θ+Vtgθ+W [4]), подбирались методом проб и ошибок. При этом критерием достоверности, как обычно, служили значения профильного и брэгговского факторов Rp и Rb. Дальнейшее уточнение касалось текстуры и асимметрии максимумов, после чего вся процедура повторялась с самого сначала для достижения стабильного результата.After clarification of the scale factor, background polynomial coefficients, characteristics determining the counter zero shift, eccentricity of the sample and absorption of rays in the sample, refinement of the parameters of the peak profile function and unit cell parameters, the U, V, W values describing the reflection width Hm (Hm 2 = Utg 2 θ + Vtgθ + W [4]), were selected by trial and error. In this case, the reliability criteria, as usual, were the values of the profile and Bragg factors R p and R b . Further refinement concerned the texture and asymmetry of the maxima, after which the whole procedure was repeated from the very beginning to achieve a stable result.

В ходе проверки заявляемого способа выявления различий структурного состояния целлюлозы устанавливалась возможность выявления изменений в структурном состоянии целлюлозосодержащих материалов в зависимости от их нативной природы, способа получения волокнистой технической целлюлозы I и материалов, получаемых на их основе после физико-химического воздействия, например тонкодисперсных целлюлозных материалов.During the verification of the proposed method for detecting differences in the structural state of cellulose, it was possible to detect changes in the structural state of cellulose-containing materials depending on their native nature, the method for producing fibrous technical cellulose I and materials obtained on their basis after physicochemical exposure, for example, finely divided cellulose materials.

1. Выявление зависимости структурных характеристик от нативной природы целлюлоз1. Identification of the dependence of structural characteristics on the native nature of cellulose

На фиг.2 приведены рентгенограммы (пересчитанные в электронные единицы) нативных целлюлозосодержащих материалов различного происхождения: ранней (а) и поздней (б) древесины сосны (сплошная линия - в геометрии на отражение, пунктир - в геометрии на просвет); хлопка (пунктир) и бурой водоросли (в); радиального среза древесины сосны (г) в геометрии на отражение (1) и просвет (2).Figure 2 shows the x-ray (converted into electronic units) of native cellulose-containing materials of various origin: early (a) and late (b) pine wood (solid line in the geometry for reflection, dotted line in the geometry for light); cotton (dotted line) and brown algae (c); radial cut of pine wood (g) in geometry for reflection (1) and clearance (2).

Как видно из фиг.2, природные целлюлозные объекты различного происхождения характеризуются существенно отличающимися друг от друга (как по характеру распределения интенсивности, так и по степени размытости) дифракционными картинами. При этом одни и те же материалы дают разные по степени размытости дифрактограммы, отснятые в разных геометриях (фиг.2, а, б, г). Бурая водоросль и радиальный срез древесины сосны, отснятый в геометрии на прохождение рентгеновских лучей, характеризуются диффузными рентгенограммами, т.е. имеют аморфную структуру.As can be seen from figure 2, natural cellulose objects of different origin are characterized by significantly different from each other (both in terms of the nature of the distribution of intensity and degree of blur) diffraction patterns. At the same time, the same materials give diffractograms of different degrees of blur, captured in different geometries (Fig. 2, a, b, d). Brown algae and radial cut of pine wood, captured in the geometry for the passage of x-rays, are characterized by diffuse radiographs, i.e. have an amorphous structure.

В таблице 1 приведены характеристики надмолекулярной структуры кристаллической составляющей природных целлюлозных объектов: степень кристалличности и размеры ОКР, рассчитанные для пяти различных направлений в элементарной ячейке, указанных на фиг.1.Table 1 shows the characteristics of the supramolecular structure of the crystalline component of natural cellulose objects: the degree of crystallinity and CSR sizes calculated for five different directions in the unit cell indicated in Fig. 1.

В таблице 2 приведены характеристики атомно-молекулярной структуры нативных целлюлозосодержащих материалов: периоды и углы элементарной ячейки, а также модель упаковки молекул: Iβ, антип. - моноклинная ячейка, антипараллельная упаковка, Iβ down и Iβ up - моноклинные ячейки с параллельной упаковкой, Iα - триклинная одноцепочечная ячейка.Table 2 shows the characteristics of the atomic-molecular structure of native cellulose-containing materials: periods and unit cell angles, as well as the model of molecular packing: Iβ, antip. - monoclinic cell, antiparallel packing, Iβ down and Iβ up - monoclinic cells with parallel packing, Iα - triclinic single-stranded cell.

Таблица 1Table 1 Степень кристалличности (k) и размеры кристаллитов природных целлюлозосодержащих материаловCrystallinity (k) and crystallite sizes of natural cellulosic materials ОбразецSample k, %k,% Размер кристаллитов, Dhkl (Å), в направлениях:The crystallite size, D hkl (Å), in the directions: [ 1 ¯ 10

Figure 00000002
][ one ¯ 10
Figure 00000002
] [110][110] [102][102] [100][one hundred] [001][001] Хлопковая целлюлозаCotton pulp 6464 4343 4343 4343 4343 4747 Целлюлоза льнаFlax pulp 7878 4343 4343 3737 4343 3434 Ранняя древесина сосныEarly pine wood 6363 2424 4949 4949 2727 9292 Поздняя древесина сосныLate pine wood 3636 2929th 4444 -- 2929th 4646 Радиальный срез сосны на отражениеRadial pine cut on reflection 7777 2626 4343 -- 2929th 9494 Δk=±5%, ΔD=5÷10ÅΔk = ± 5%, ΔD = 5 ÷ 10Å

Таблица 2table 2 Модели нативной целлюлозы, периоды и углы элементарной ячейки, значения профильных и брэгговских факторов недостоверностиModels of native cellulose, periods and unit cell angles, values of profile and Bragg factors of uncertainty ОбразецSample модельmodel а, Åa, Å b, Åb, Å c, Åc, Å γ, °γ, ° Rp, %R p ,% Rb, %R b % Хлопковая целлюлозаCotton pulp Iβ, антип.Iβ, antip. 7.947.94 8.168.16 10.3410.34 96.496.4 12.6012.60 6.706.70 Целлюлоза льнаFlax pulp Iβ, антип.Iβ, antip. 7.967.96 8.178.17 10.3110.31 96.696.6 10.910.9 3.453.45 Ранняя древесина сосныEarly pine wood Iβ downIb down 7.917.91 8.178.17 10.3410.34 97.097.0 10.9910.99 2.832.83 Поздняя древесина сосныLate pine wood Iβ, антип.Iβ, antip. 8.098.09 8.178.17 10.3410.34 96.496.4 10.9910.99 5.045.04 Радиальный срез сосны на отражениеRadial pine cut on reflection Iα∗Iα ∗ 6.746.74 5.935.93 10.3610.36 81.381.3 18.1010/18 12.4012.40 ∗ углы: α=117°, β=113°∗ angles: α = 117 °, β = 113 ° Δа=Δb=±0.01 Å, Δс=±0.01 Å, Δγ=±0.2°Δa = Δb = ± 0.01 Å, Δc = ± 0.01 Å, Δγ = ± 0.2 °

Из таблицы 1 видно, что наибольшую СК имеет образец радиального среза сосны и целлюлоза льна, наиболее аморфной по структуре является поздняя древесина.From table 1 it can be seen that the largest SC has a radial cut sample of pine and flax cellulose, the most amorphous in structure is late wood.

Образцы хлопковой целлюлозы характеризуются практически сферическими ОКР, диаметр сфер в среднем составляет 45 Å. Целлюлоза льна также имеет одинаковый размер ОКР в трех кристаллографических направлениях. Для остальных материалов кристаллиты анизотропны: их размеры минимальны в направлении [ 1 ¯ 10

Figure 00000002
], совпадающем с длинной диагональю базисной плоскости элементарной ячейки, и составляют в среднем 4 элементарных ячейки. В направлении [110], совпадающем со второй, более короткой, диагональю, размеры ОКР примерно в 1.5-2 раза выше. Размер ОКР в направлениях [100] и [001] фактически соответствует толщине и длине упорядоченных областей элементарных фибрилл. Как видно, толщина их составляет 3-4 элементарных ячейки, а длина - 5-9 ячеек.Cotton cellulose samples are characterized by almost spherical CSR; the diameter of the spheres is on average 45 Å. Flax cellulose also has the same CSR size in three crystallographic directions. For other materials, crystallites are anisotropic: their sizes are minimal in the direction [ one ¯ 10
Figure 00000002
], which coincides with the long diagonal of the basal plane of the unit cell, and comprise an average of 4 unit cells. In the [110] direction, which coincides with the second, shorter diagonal, the CSR sizes are approximately 1.5–2 times higher. The CSR size in the [100] and [001] directions actually corresponds to the thickness and length of the ordered regions of elementary fibrils. As you can see, their thickness is 3-4 unit cells, and the length is 5-9 cells.

Из таблицы 2 видно, что природные целлюлозные материалы различного происхождения имеют разный тип элементарной ячейки и различный характер упаковки молекул в ней (параллельная и антипараллельная). Наиболее низкосимметричная триклинная ячейка характерна для радиального среза древесины сосны, остальные образцы характеризуются моноклинной ячейкой. Наибольшее различие в значениях периода элементарной ячейки наблюдается для периода а.From table 2 it is seen that natural cellulosic materials of various origins have a different type of unit cell and a different nature of the packing of molecules in it (parallel and antiparallel). The most low-symmetric triclinic cell is characteristic of a radial cut of pine wood, the remaining samples are characterized by a monoclinic cell. The largest difference in the values of the unit cell period is observed for period a .

Таким образом, заявляемый способ позволяет выявить изменения содержания кристаллической части, охарактеризовать форму областей когерентного рассеяния (кристаллитов), а также установить характер упаковки молекул и выявить изменения атомного строения кристаллитов в зависимости от нативной природы целлюлозного материала.Thus, the inventive method allows to detect changes in the content of the crystalline part, to characterize the shape of the regions of coherent scattering (crystallites), as well as to establish the nature of the packing of molecules and to reveal changes in the atomic structure of crystallites depending on the native nature of the cellulosic material.

2. Выявление зависимости структурных характеристик от способа получения волокнистой технической целлюлозы I2. Identification of the dependence of structural characteristics on the method of producing fibrous technical pulp I

На фиг.3 приведены рентгенограммы (пересчитанные в электронные единицы): а) небеленой (1) и беленой (2) сульфатных хвойных целлюлоз; б) беленой сульфатной лиственной целлюлозы.Figure 3 shows the x-ray (converted into electronic units): a) unbleached (1) and bleached (2) sulfate coniferous celluloses; b) bleached sulfate hardwood pulp.

В таблице 3 представлены характеристики надмолекулярной структуры указанных технических целлюлоз: степень кристалличности и размеры ОКР, рассчитанные для пяти различных направлений в элементарной ячейке.Table 3 presents the characteristics of the supramolecular structure of these technical celluloses: the degree of crystallinity and the size of the CSR, calculated for five different directions in the unit cell.

Таблица 3Table 3 Степень кристалличности (k) и размеры кристаллитов технических целлюлозThe degree of crystallinity (k) and crystallite sizes of technical pulps ОбразецSample k, %k,% Размер кристаллитов, Dhkl (Å), в направлениях:The crystallite size, D hkl (Å), in the directions: [ 1 ¯ 10

Figure 00000002
][ one ¯ 10
Figure 00000002
] [110][110] [102][102] [100][one hundred] [001][001] Небеленая сульфатная хвойнаяUnbleached sulfate coniferous 7575 2929th 4444 8787 4343 4949 Беленая сульфатная хвойнаяConiferous bleached sulphate 7676 2828 4343 -- 4444 4242 Беленая сульфатная лиственнаяBleached Sulphate Deciduous 7979 2828 5757 5757 4343 5959 Δk=±5%, ΔD=5÷10 ÅΔk = ± 5%, ΔD = 5 ÷ 10 Å

В таблице 4 приведены характеристики атомно-молекулярной структуры указанных технических целлюлоз: периоды и угол элементарной ячейки, а также модель упаковки молекул.Table 4 shows the characteristics of the atomic-molecular structure of these technical celluloses: periods and unit cell angle, as well as a model of molecular packing.

Таблица 4Table 4 Модели технических целлюлоз, периоды и углы элементарной ячейки, значения профильных и брэгговских факторов недостоверностиModels of technical celluloses, periods and unit cell angles, values of profile and Bragg factors of uncertainty ОбразецSample модельmodel a, Åa, Å b, Åb, Å c, Åc, Å γ, Åγ, Å Rp, %R p ,% Rb, %R b % Небеленая сульфатная хвойнаяUnbleached sulfate coniferous Iα∗Iα ∗ 6.726.72 5.975.97 10.3710.37 81.881.8 10.0010.00 2.392.39 Беленая сульфатная хвойнаяConiferous bleached sulphate Iα∗Iα ∗ 6.746.74 5.945.94 10.3610.36 81.381.3 10.0010.00 2.502.50 Беленая сульфатная лиственнаяBleached Sulphate Deciduous Iβ upIβ up 8.048.04 8.178.17 10.4410.44 96.596.5 9.139.13 4.664.66 ∗ углы: α=117°, β=113°∗ angles: α = 117 °, β = 113 ° Δa=Δb=±0.01 Å, Δc=±0.01 Å, Δγ=±0.2°Δa = Δb = ± 0.01 Å, Δc = ± 0.01 Å, Δγ = ± 0.2 °

Анализ данных, приведенных в таблице 3, показывает, что надмолекулярная структура технических целлюлоз зависит в большей степени от породы древесины (хвойная или лиственная), чем от использования в технологическом процессе отбелки: беленая и небеленая сульфатные целлюлозы отличаются только длиной упорядоченных областей элементарных фибрилл. Беленые сульфатные хвойная и лиственная отличаются по данному параметру заметнее и характеризуются, кроме того, разными размерами ОКР в направлении [110].An analysis of the data given in Table 3 shows that the supramolecular structure of industrial celluloses depends more on the type of wood (coniferous or deciduous) than on bleaching used in the technological process: bleached and unbleached sulfate celluloses differ only in the length of ordered regions of elementary fibrils. Bleached sulfate conifers and deciduous differ in this parameter more noticeably and are characterized, in addition, by different CSR sizes in the [110] direction.

Как следует из таблицы 4, структуры беленой и небеленой сульфатных хвойных целлюлоз характеризуются триклинной элементарной ячейкой и отличаются, в основном, значением периода b и угла γ. Структура беленой сульфатной лиственной целлюлозы описывается моноклинной ячейкой с параллельной упаковкой молекул.As follows from Table 4, the structures of bleached and unbleached sulfate coniferous celluloses are characterized by a triclinic unit cell and differ mainly in the value of period b and angle γ. The structure of bleached sulfate hardwood pulp is described by a monoclinic cell with parallel packing of molecules.

Таким образом, заявляемый способ позволяет выявить зависимость особенностей атомно-молекулярной структуры от способа получения волокнистой технической целлюлозы I.Thus, the claimed method allows to identify the dependence of the features of the atomic-molecular structure on the method of producing fibrous technical cellulose I.

3. Выявление зависимости структурных характеристик от способа получения тонкодисперсных целлюлозных материалов.3. Identification of the dependence of structural characteristics on the method of obtaining fine cellulose materials.

К тонкодисперсным целлюлозным материалам относят порошковые целлюлозы (ПЦ) и микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ). МКЦ получали гидролитической обработкой целлюлозы в 10%-ном растворе серной кислоты при температуре кипения жидкости в течение 120 мин. Микрокристаллическая целлюлоза, полученная в соответствии с методом "классического" гидролиза, была использована в качестве образца сравнения. ПЦ получали по безводной технологии с применением растворов кислот Льюиса: хлоридов титана (TiCl4) и алюминия (AlCl3) - высокоэффективных каталитических реагентов, способных оказывать не только деструктирующее, но и модифицирующее воздействие на макромолекулу целлюлозы. Для изучения изменений, происходящих в структуре материалов, получаемых нетрадиционным способом, использовали комплексный подход, описываемый в пп.1, 2.Fine cellulose materials include powdered cellulose (PC) and microcrystalline cellulose (MCC). MCC was obtained by hydrolytic treatment of cellulose in a 10% solution of sulfuric acid at a boiling point of a liquid for 120 minutes. Microcrystalline cellulose obtained in accordance with the method of "classical" hydrolysis was used as a reference sample. PCs were prepared using an anhydrous technology using solutions of Lewis acids: titanium chlorides (TiCl 4 ) and aluminum (AlCl 3 ), highly effective catalytic reagents capable of exerting not only destructive, but also modifying effects on cellulose macromolecule. To study the changes occurring in the structure of materials obtained in an unconventional way, we used the integrated approach described in paragraphs 1, 2.

На фиг.4 приведены кривые распределения интенсивности рассеяния беленой сульфатной лиственной целлюлозой (1), а также полученными на ее основе с применением разных кислот Льюиса порошковыми целлюлозами (2): обработанной раствором TiCl4 в С6Н14 (а) и обработанной раствором AlCl3 в CCl4 (б).Figure 4 shows the distribution curves of the scattering intensity of bleached sulphate hardwood pulp (1), as well as powder pulps obtained on its basis using different Lewis acids (2): treated with a solution of TiCl 4 in C 6 H 14 (a) and treated with a solution of AlCl 3 in CCl 4 (b).

В таблице 5 приведены характеристики надмолекулярной структуры исходной беленой сульфатной лиственной целлюлозы, ПЦ и МКЦ: степень кристалличности и размеры ОКР, рассчитанные для направлений в элементарной ячейке, показанных на фиг.1.Table 5 shows the characteristics of the supramolecular structure of the initial bleached sulfate hardwood pulp, PC and MCC: the degree of crystallinity and CSR sizes calculated for the directions in the unit cell shown in figure 1.

Таблица 5Table 5 Степень кристалличности (k) и размеры кристаллитов порошковых целлюлоз и МКЦ (обр. №6)The degree of crystallinity (k) and crystallite sizes of powdered cellulose and MCC (sample No. 6) ОбразецSample Деструктирующий агентDestruction agent Продолжительность обработкиProcessing time k, %k,% Размер кристаллитов, D (Å), в давлениях:The crystallite size, D (Å), in pressures: [ 1 ¯ 10

Figure 00000002
][ one ¯ 10
Figure 00000002
] [110][110] [102][102] [100][one hundred] [001][001] Исходное сырьеFeedstock -- 7979 2828 5757 5757 4343 5959 1one 1.5%1.5% 30 мин30 minutes 6767 3131 7676 5555 4343 6060 TiCl4 в С6Н14 TiCl 4 in C 6 H 14 22 0.1%0.1% 30 мин30 minutes 7474 3636 6262 5656 4343 123123 AlCl3 в CCl4 AlCl 3 to CCl 4 33 0.1%0.1% 30 мин, прогрев30 min warm up 7474 3434 5757 4343 4343 7272 AlCl3 в CCl4 AlCl 3 to CCl 4 4four 0.1%0.1% 30 мин30 minutes 7575 3838 5757 4343 4343 5959 TiCl4 в CCl4 TiCl 4 to CCl 4 55 0.1%0.1% 30 мин, прогрев30 min warm up 6868 3636 7474 5656 4343 8080 TiCl4 в CCl4 TiCl 4 to CCl 4 66 10%10% 120 мин120 min 8888 2626 6969 5858 4949 6060 H2SO5 H 2 SO 5 Δk=±5%, ΔD=5÷10, ÅΔk = ± 5%, ΔD = 5 ÷ 10, Å

В таблице 6 приведены характеристики атомно-молекулярной структуры беленой сульфатной лиственной целлюлозы, ПЦ и МКЦ: периоды и угол элементарной ячейки, а также модель упаковки молекул.Table 6 shows the characteristics of the atomic-molecular structure of bleached sulfate hardwood pulp, PC and MCC: periods and unit cell angle, as well as a molecular packing model.

Как следует из таблицы 5, степень кристалличности ПЦ и МКЦ для ряда образцов отличается от аналогичной характеристики исходной беленой сульфатной лиственной целлюлозы. Наибольшее различие (~ на 12%) отмечено для двух образцов: полученных при обработке целлюлозы в растворе с наибольшей концентрацией тетрахлорида титана (обр. №1) и в растворе с меньшей концентрацией TiCl4, но с дополнительным прогревом (обр. №5). Наибольшую степень кристалличности (88%) имеет образец МКЦ (обр. №6), что на 10÷20% выше, чем у образцов ПЦ. As follows from table 5, the degree of crystallinity of the PC and MCC for a number of samples differs from the similar characteristics of the initial bleached sulfate hardwood pulp. The greatest difference (~ by 12%) was noted for two samples: obtained during the processing of cellulose in a solution with the highest concentration of titanium tetrachloride (sample No. 1) and in a solution with a lower concentration of TiCl 4 , but with additional heating (sample No. 5). The highest degree of crystallinity (88%) is in the MCC sample (sample No. 6), which is 10–20% higher than in the PC samples.

Таблица 6Table 6 Модели порошковых целлюлоз и МКЦ (обр. №6), периоды и углы элементарной ячейки, значения профильных и брэгговских факторов недостоверностиModels of powder pulp and MCC (Sample No. 6), periods and unit cell angles, values of profile and Bragg factors of uncertainty ОбразецSample Деструктирующий агентDestruction agent Продолжительность обработкиProcessing time а, Åa, Å b, Åb, Å с, Ås, Å γ, °γ, ° Rp, %R p ,% Rb, %R b % МодельModel Исходное сырьеFeedstock 8.048.04 8.178.17 10.4410.44 96.596.5 9.139.13 4.664.66 Iβ upIβ up 1one 1.5% TiCl4 в С6Н14 1.5% TiCl 4 in C 6 H 14 30 мин30 minutes 8.048.04 7.627.62 10.9610.96 96.496.4 6.986.98 4.604.60 антип.antip. 22 0.1% AlCl3 в CCl4 0.1% AlCl 3 in CCl 4 30 мин30 minutes 7.987.98 8.038.03 10.3410.34 96.496.4 11.6011.60 3.503.50 антип.antip. 33 0.1% AlCl3 в CCl4 0.1% AlCl 3 in CCl 4 30 мин, прогрев30 min warm up 8.048.04 7.967.96 10.3410.34 96.496.4 9.839.83 4.904.90 антип.antip. 4four 0.1% TiCl4 в CCl4 0.1% TiCl 4 in CCl 4 30 мин30 minutes 7.997.99 7.917.91 10.8510.85 96.696.6 9.039.03 3.613.61 Iβ downIb down 55 0.1% TiCl4 в CCl4 0.1% TiCl 4 in CCl 4 30 мин, прогрев30 min warm up 8.098.09 8.188.18 10.6110.61 96.796.7 10.3710.37 4.644.64 Iβ upIβ up 66 10% H2SO5 10% H 2 SO 5 120 мин120 min 7.977.97 8.188.18 10.3510.35 96.496.4 9.819.81 4.954.95 антип.antip. Δa=Δb=Δс=±0.01 Å, Δγ=±0.2°Δa = Δb = Δс = ± 0.01 Å, Δγ = ± 0.2 °

Наибольшее различие в размерах областей кристалличности наблюдается для кристаллографических направлений [110] и [001]. Последний факт говорит о заметном разбросе длины упорядоченных участков элементарных фибрилл в тонкодисперсных образцах в зависимости от используемого раствора кислоты Льюиса и условий обработки.The largest difference in the sizes of crystallinity regions is observed for crystallographic directions [110] and [001]. The latter fact indicates a noticeable spread in the length of the ordered sections of elementary fibrils in finely dispersed samples, depending on the used Lewis acid solution and processing conditions.

Анализ данных, приведенных в таблице 6, показывает, что периоды элементарной ячейки исходной беленой сульфатной целлюлозы также заметно меняются при преобразовании ее в порошковую форму, как посредством традиционного гидролиза, так и с применением растворов кислот Льюиса. Наблюдаемые увеличение периода с элементарной ячейки и уменьшение периодов а и b при обработке в растворах TiCl4 в С6Н14 и CCl4 (без прогрева) свидетельствуют о том, что происходит структурная модификация, которая заключается в выпрямлении целлюлозного звена (увеличении угла связи между ангидроглюкозными остатками), что может быть объяснено образованием комплексов донорно-акцепторного типа "кислота Льюиса - целлюлоза" [7, 8, 9].An analysis of the data shown in Table 6 shows that the unit cell periods of the initial bleached sulfate cellulose also noticeably change when it is converted into a powder form, either by conventional hydrolysis or using Lewis acid solutions. The observed increase in the period from the unit cell and the decrease in periods a and b during treatment in TiCl 4 solutions in C 6 H 14 and CCl 4 (without heating) indicate that a structural modification occurs, which consists in straightening the cellulose unit (increasing the bond angle between anhydroglucose residues), which can be explained by the formation of complexes of the donor-acceptor type “Lewis acid - cellulose” [7, 8, 9].

Последующий прогрев образцов приводит к тому, что периоды стремятся вернуться к первоначальным значениям вследствие снятия искажений, но данный процесс происходит не до конца. При обработке целлюлозы раствором AlCl3 в CCl4 в результате прогрева к первоначальному значению возвращается только период а. При воздействии данным раствором, а также раствором TiCl4 в гексане происходит фазовый переход от структуры с параллельной к структуре с антипараллельной ориентацией цепочек.Subsequent heating of the samples leads to the fact that the periods tend to return to their original values due to the removal of distortions, but this process does not occur to the end. When processing cellulose AlCl 3 solution in CCl 4 as a result of warm-up period and only returns to its original value. When exposed to this solution, as well as a solution of TiCl 4 in hexane, a phase transition occurs from a structure with a parallel to a structure with antiparallel orientation of the chains.

Таким образом, заявляемый способ выявления различий структурного состояния целлюлозы позволяет выявить изменения, происходящие на атомно-молекулярном и надмолекулярном уровнях в зависимости от способа получения тонкодисперсных целлюлозных материалов как традиционным гидролизом, так и с применением безводных технологий.Thus, the inventive method for detecting differences in the structural state of cellulose allows you to identify changes that occur at the atomic-molecular and supramolecular levels, depending on the method of producing finely divided cellulose materials both by traditional hydrolysis and using anhydrous technologies.

Заявляемый способ выявления различий структурного состояния целлюлозы был проверен с использованием автоматизированного рентгеновского дифрактометра ДРОН-6, выпускаемого НПП «Буревестник», г. Санкт-Петербург. В приборе используется фокусировка по Бреггу-Брентано, в качестве источников рентгеновского излучения служат трубки БСВ-27 с анодами Cu-Kα (0.154178 нм) и Fe-Kα (0.193728 нм), минимальный шаг сканирования прибора 0.002°, напряжение U=40 кВ, ток I=25 мА, ошибка счета импульсов 0.4%. Сбор данных и обработка результатов измерений осуществляется под управлением ПЭВМ с OS Windows XP.The inventive method for detecting differences in the structural state of cellulose was tested using an automated X-ray diffractometer DRON-6, manufactured by NPP Burevestnik, St. Petersburg. The instrument uses Bragg-Brentano focusing, BSV-27 tubes with Cu-Kα (0.154178 nm) and Fe-Kα (0.193728 nm) anodes, the minimum scanning step of the device is 0.002 °, voltage U = 40 kV, are used as X-ray sources. current I = 25 mA, pulse count error 0.4%. Data collection and processing of measurement results is carried out under the control of a PC with OS Windows XP.

Предлагаемый способ выявления различий структурного состояния целлюлозы, в отличие от известных способов определения структуры материалов, позволяет проследить изменения, происходящие в комплексе на всех уровнях структурного состояния целлюлоз, в том числе, определить тип упаковки молекул и охарактеризовать форму областей кристалличности.The proposed method for detecting differences in the structural state of cellulose, in contrast to the known methods for determining the structure of materials, allows us to trace changes in the complex at all levels of the structural state of cellulose, including determining the type of molecular packing and characterizing the shape of crystallinity regions.

Источники информацииInformation sources

1. Thygesen A., Oddershede J., Lilholt H., Thomsen А.В., Ståhl K. On the determination of crystallinity and cellulose content in plant fibres // Cellulose. 2005. №12. С.563-576.1. Thygesen A., Oddershede J., Lilholt H., Thomsen A.V., Ståhl K. On the determination of crystallinity and cellulose content in plant fibers // Cellulose. 2005. No. 12. S.563-576.

2. Speakman S.A. Estimating Crystallite Size Using XRD // MITCenter for Materials Science and Engineering. 2005. P.105.2. Speakman S.A. Estimating Crystallite Size Using XRD // MITCenter for Materials Science and Engineering. 2005. P. 105.

3. Липсон Г., Стипл Г. Интерпретация порошковых рентгенограмм. М.: Мир, 1972. С.152.3. Lipson G., Steeple G. Interpretation of powder x-ray. M.: Mir, 1972. P.152.

4. Young R.A. The Rietveld method. Oxford University Press, 2002. 308 p.4. Young R.A. The Rietveld method. Oxford University Press, 2002. 308 p.

5. Патент RU №2427826 C1. Способ определения остаточных напряжений в изделиях из монокристаллических материалов рентгеновским методом. Дата начала отсчета срока действия патента: 11.05.2010.5. Patent RU No. 2427826 C1. A method for determining residual stresses in products from single-crystal materials by the X-ray method. Date of commencement of the term of validity of the patent: 05/11/2010.

6. Алешина Л.А., Мелех H.В., Фофанов А.Д. Исследование структуры целлюлоз и лигнинов различного происхождения // Химия растительного сырья. 2005. №3. С.31-59.6. Aleshina L.A., Melekh H.V., Fofanov A.D. Study of the structure of celluloses and lignins of various origin // Chemistry of plant raw materials. 2005. No3. S.31-59.

7. Фролова С.В. Структура и физико-химические свойства целлюлозы, деструктированной кислотами Льюиса. Дисс. … канд. хим. наук. Иваново: ИХР РАН, 2009. 150 с.7. Frolova S.V. The structure and physicochemical properties of cellulose degraded by Lewis acids. Diss. ... cand. Chem. sciences. Ivanovo: IHR RAS, 2009.150 s.

8. Фролова С.В., Демин В.А. Деструкция целлюлозы кислотами Льюиса с целью получения целлюлозных порошков // Журнал прикладной химии. 2008. Т.81. Вып.1. №1. С.152-156.8. Frolova S.V., Demin V.A. The destruction of cellulose by Lewis acids in order to obtain cellulose powders // Journal of Applied Chemistry. 2008.V. 81. Issue 1. No. 1. S.152-156.

9. Фролова С.В., Демин В.А. Структура и свойства целлюлозных порошковых материалов, полученных в безводных органических средах // Матер. III Всерос. научн. конф. Кн. 3. Барнаул, 2007. С 247.9. Frolova S.V., Demin V.A. The structure and properties of cellulose powder materials obtained in anhydrous organic media // Mater. III Vseros. scientific conf. Prince 3. Barnaul, 2007. With 247.

Claims (1)

Способ выявления различий структурного состояния целлюлозы, включающий установку образца в держателе, облучение образца монохроматическим рентгеновским излучением, регистрацию дифрактограмм в разных диапазонах углов дифракции в форме профиля интенсивности дифрагированного рентгеновского излучения, в геометрии, при которой счетчик квантов рентгеновского излучения движется со скоростью, вдвое большей, чем образец, отличающийся тем, что образцы целлюлозных объектов изготавливают в форме плоскопараллельных пластинок или прессованных таблеток и устанавливают в держателе последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно падающего луча, в геометрии на отражение образец устанавливают в держатель так, чтобы оси волокон были параллельны отражающим плоскостям, и определяют толщину элементарной фибриллы, затем в геометрии на просвет образец устанавливают так, чтобы оси волокон были перпендикулярны отражающим плоскостям, и определяют длину элементарной фибриллы, для определения степени кристалличности выбирают область углов рассеяния, в которой полностью регистрируется максимум, соответствующий рассеянию аморфной составляющей, затем эту область разделяют на пики, соответствующие рассеянию аморфной составляющей и отражениям от кристаллографических плоскостей, попадающим в тот же самый диапазон углов, и по соотношению интегральных интенсивностей рассеяния устанавливают степень кристалличности, а по интегральным ширинам отражений устанавливают размеры кристаллитов в заданных кристаллографических направлениях, затем для определения периодов и углов элементарной ячейки образец извлекают из держателя и устанавливают на дифрактометр в дополнительный держатель, позволяющий осуществлять вращение образца в своей плоскости, дифрактограмму регистрируют во всем интервале углов рассеяния с минимально возможным шагом по углу и полученную дифракционную картину анализируют, используя структурные характеристики различных полиморфных модификаций целлюлозы. A method for detecting differences in the structural state of cellulose, including installing a sample in a holder, irradiating a sample with monochromatic x-ray radiation, recording diffractograms in different ranges of diffraction angles in the form of an intensity profile of diffracted x-ray radiation, in a geometry in which the x-ray quantum counter moves at a speed twice that than a sample, characterized in that the samples of cellulose objects are made in the form of plane-parallel plates or pressed x tablets and are installed in the holder sequentially in two mutually perpendicular directions relative to the incident beam, in the geometry of reflection, the sample is mounted in the holder so that the fiber axes are parallel to the reflecting planes, and the thickness of the elementary fibril is determined, then in the geometry of the light the sample is set so that the fiber axes were perpendicular to the reflecting planes, and the length of the elementary fibril was determined; to determine the degree of crystallinity, the region of scattering angles was chosen, in which the maximum corresponding to the scattering of the amorphous component is completely recorded, then this region is divided into peaks corresponding to the scattering of the amorphous component and reflections from crystallographic planes falling in the same range of angles, and the degree of crystallinity is established by the ratio of the integral scattering intensities, and by the integrated reflection widths set the size of crystallites in the given crystallographic directions, then to determine the periods and angles of the unit cell brazets removed from the holder and mounted on the diffractometer in a further holder to allow for the rotation of the specimen in its plane diffractogram recorded in the entire range of scattering angles with the smallest possible pitch angle and of the resulting diffraction pattern was analyzed using the structural characteristics of the different polymorphic modifications of cellulose.
RU2013143931/28A 2013-09-30 2013-09-30 Methods of detecting differences in cellulose structural condition RU2570092C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013143931/28A RU2570092C2 (en) 2013-09-30 2013-09-30 Methods of detecting differences in cellulose structural condition

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013143931/28A RU2570092C2 (en) 2013-09-30 2013-09-30 Methods of detecting differences in cellulose structural condition

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013143931A RU2013143931A (en) 2015-04-10
RU2570092C2 true RU2570092C2 (en) 2015-12-10

Family

ID=53282332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013143931/28A RU2570092C2 (en) 2013-09-30 2013-09-30 Methods of detecting differences in cellulose structural condition

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2570092C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2799073C1 (en) * 2022-08-12 2023-07-03 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method for determining the degree of boron crystallinity
US11872314B2 (en) 2016-08-05 2024-01-16 Shin Nippon Biomedical Laboratories, Ltd. Pharmaceutical compositions

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1359739A1 (en) * 1986-03-19 1987-12-15 Украинское научно-производственное объединение целлюлозно-бумажной промышленности Method of estimating paper-forming properties of cellulose material
SU1749800A1 (en) * 1989-11-09 1992-07-23 Марийский политехнический институт им.А.М.Горького Procedure for determining crystalline index of cellulose
RU2024854C1 (en) * 1991-12-26 1994-12-15 Марийский политехнический институт Method of measuring average density of amorphous parts of cellulose
WO2007038398A1 (en) * 2005-09-26 2007-04-05 Ssci, Inc. Methods of characterizing compositions
JP2008064463A (en) * 2006-09-04 2008-03-21 Nagoya Industrial Science Research Inst Structure analyzing method of soft material due to beam irradiation and soft material holding device used therein

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1359739A1 (en) * 1986-03-19 1987-12-15 Украинское научно-производственное объединение целлюлозно-бумажной промышленности Method of estimating paper-forming properties of cellulose material
SU1749800A1 (en) * 1989-11-09 1992-07-23 Марийский политехнический институт им.А.М.Горького Procedure for determining crystalline index of cellulose
RU2024854C1 (en) * 1991-12-26 1994-12-15 Марийский политехнический институт Method of measuring average density of amorphous parts of cellulose
WO2007038398A1 (en) * 2005-09-26 2007-04-05 Ssci, Inc. Methods of characterizing compositions
JP2008064463A (en) * 2006-09-04 2008-03-21 Nagoya Industrial Science Research Inst Structure analyzing method of soft material due to beam irradiation and soft material holding device used therein

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11872314B2 (en) 2016-08-05 2024-01-16 Shin Nippon Biomedical Laboratories, Ltd. Pharmaceutical compositions
RU2799073C1 (en) * 2022-08-12 2023-07-03 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Method for determining the degree of boron crystallinity

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013143931A (en) 2015-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ju et al. An improved X-ray diffraction method for cellulose crystallinity measurement
Cave Theory of X-ray measurement of microfibril angle in wood: Part 2. The diffraction diagram X-ray diffraction by materials with fibre type symmetry
Terinte et al. Overview on native cellulose and microcrystalline cellulose I structure studied by X-ray diffraction (WAXD): Comparison between measurement techniques
Carlson et al. Characterization of optical diffraction and crystal structure in monodisperse polystyrene colloids
Speakman Estimating crystallite size using XRD
Picken et al. Structure and rheology of aramid solutions: X-ray scattering measurements
Ye et al. Preferred crystallographic orientation of cellulose in plant primary cell walls
DE112010001894B4 (en) Method for measuring a surface microstructure, method for data analysis of surface microstructure measurement and surface microstructure measuring system
Thomas et al. Structure and spacing of cellulose microfibrils in woody cell walls of dicots
Duchemin Size, shape, orientation and crystallinity of cellulose I β by X-ray powder diffraction using a free spreadsheet program
Driemeier et al. Crystallite width determines monolayer hydration across a wide spectrum of celluloses isolated from plants
Pezzotti et al. Vibrational algorithms for quantitative crystallographic analyses of hydroxyapatite-based biomaterials: I, theoretical foundations
Tuladhar et al. Direct observation of the orientational anisotropy of buried hydroxyl groups inside muscovite mica
RU2570092C2 (en) Methods of detecting differences in cellulose structural condition
Driemeier Two-dimensional Rietveld analysis of celluloses from higher plants
Kaspersen et al. Small-angle X-ray scattering demonstrates similar nanostructure in cortical bone from young adult animals of different species
EP2940461A1 (en) Method for determining a residual stress gradient in a sample
Modregger et al. Multiple scattering tomography
Wagermaier et al. Understanding Hierarchy and Functions of Bone Using Scanning X‐ray Scattering Methods
DE69219575T2 (en) Measurement of the diameter of fibers and detection of defects
Salomons et al. Small-angle X-ray scattering analysis of craze-fibril structures
Gjønnes et al. The use of half width and position of the lines in the X-ray diffractograms of native cellulose to characterize the structural properties of the samples
RU2685440C1 (en) Method of study of differences in the structural state of carbon fibers after various thermomechanical effects by x-ray diffraction method
DE10024366C1 (en) Sample layer characterization method with HF oscillation of carrier substrate and measurement of acoustic and optical thickness of sample layer
Goray et al. Nonlinear continual growth model of nonuniformly scaled reliefs as applied to the rigorous analysis of the X-ray scattering intensity of multilayer mirrors and gratings

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171001