RU2680046C1 - Порошковый лигноцеллюлозный материал на основе неоргано-лигноцеллюлозного гибрида - Google Patents
Порошковый лигноцеллюлозный материал на основе неоргано-лигноцеллюлозного гибрида Download PDFInfo
- Publication number
- RU2680046C1 RU2680046C1 RU2017146488A RU2017146488A RU2680046C1 RU 2680046 C1 RU2680046 C1 RU 2680046C1 RU 2017146488 A RU2017146488 A RU 2017146488A RU 2017146488 A RU2017146488 A RU 2017146488A RU 2680046 C1 RU2680046 C1 RU 2680046C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- lignocellulosic
- inorganic
- length
- hybrid
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 86
- 239000012978 lignocellulosic material Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 88
- 150000003609 titanium compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 24
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 17
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical group [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000006286 aqueous extract Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 15
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 12
- 239000000945 filler Substances 0.000 abstract description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 6
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 abstract description 5
- 239000005060 rubber Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 239000004568 cement Substances 0.000 abstract description 4
- 239000003607 modifier Substances 0.000 abstract description 4
- 239000004566 building material Substances 0.000 abstract description 3
- 239000004567 concrete Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 abstract description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 abstract description 3
- 229920005830 Polyurethane Foam Polymers 0.000 abstract description 2
- 239000011496 polyurethane foam Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 abstract 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 42
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 22
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 19
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 19
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 description 16
- 239000010893 paper waste Substances 0.000 description 16
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 15
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 15
- 229920001131 Pulp (paper) Polymers 0.000 description 13
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 12
- 235000010980 cellulose Nutrition 0.000 description 11
- 150000007517 lewis acids Chemical class 0.000 description 11
- 239000002841 Lewis acid Substances 0.000 description 10
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 10
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 10
- VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N tetrachloromethane Chemical compound ClC(Cl)(Cl)Cl VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 8
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 8
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 7
- 239000003517 fume Substances 0.000 description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 7
- 230000009965 odorless effect Effects 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 6
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 6
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 6
- 229950005499 carbon tetrachloride Drugs 0.000 description 5
- 239000011111 cardboard Substances 0.000 description 5
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 4
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 description 4
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 4
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 241000209094 Oryza Species 0.000 description 3
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 244000309464 bull Species 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000010903 husk Substances 0.000 description 3
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 3
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 3
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 3
- 239000011087 paperboard Substances 0.000 description 3
- 229920003124 powdered cellulose Polymers 0.000 description 3
- 235000019814 powdered cellulose Nutrition 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J titanium tetrachloride Chemical compound Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 3
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N N-Heptane Chemical compound CCCCCCC IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 2
- 239000011173 biocomposite Substances 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 2
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 2
- 239000000976 ink Substances 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 2
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 2
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 2
- 238000005029 sieve analysis Methods 0.000 description 2
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- 102100031260 Acyl-coenzyme A thioesterase THEM4 Human genes 0.000 description 1
- 244000025254 Cannabis sativa Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000060011 Cocos nucifera Species 0.000 description 1
- 235000013162 Cocos nucifera Nutrition 0.000 description 1
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 101000638510 Homo sapiens Acyl-coenzyme A thioesterase THEM4 Proteins 0.000 description 1
- 241000274582 Pycnanthus angolensis Species 0.000 description 1
- 229910003902 SiCl 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920008262 Thermoplastic starch Polymers 0.000 description 1
- LCKIEQZJEYYRIY-UHFFFAOYSA-N Titanium ion Chemical compound [Ti+4] LCKIEQZJEYYRIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010897 cardboard waste Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 description 1
- 239000012295 chemical reaction liquid Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007857 degradation product Substances 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N ether Substances CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 1
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 239000012633 leachable Substances 0.000 description 1
- 230000005923 long-lasting effect Effects 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000003791 organic solvent mixture Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 239000003880 polar aprotic solvent Substances 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000011265 semifinished product Substances 0.000 description 1
- 238000001577 simple distillation Methods 0.000 description 1
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 1
- 239000004628 starch-based polymer Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
- 239000002916 wood waste Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
- C08B1/00—Preparatory treatment of cellulose for making derivatives thereof, e.g. pre-treatment, pre-soaking, activation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
- C08B15/00—Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
- D21C1/00—Pretreatment of the finely-divided materials before digesting
- D21C1/04—Pretreatment of the finely-divided materials before digesting with acid reacting compounds
-
- D—TEXTILES; PAPER
- D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
- D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
- D21C5/00—Other processes for obtaining cellulose, e.g. cooking cotton linters ; Processes characterised by the choice of cellulose-containing starting materials
- D21C5/02—Working-up waste paper
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
- Paper (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области химии лигноцеллюлозы и ее модифицирования, а именно к порошковым неоргано-лигноцеллюлозным гибридам и порошковым лигноцеллюлозным материалам. Изобретение может быть использовано при производстве полимерных композитов (резин, пластмасс), строительных материалов (цементов, бетона, монтажной пены) в качестве наполнителей или модификаторов полимерных композиций технического назначения. Порошковый лигноцеллюлозный материал, характеризующийся средними геометрическими размерами длины и ширины частиц в диапазонах 0,18-0,26 мм и 25,1-34,8 мкм соответственно, с долей частиц длиной 0,12- 0,15 мм от 30,1% до 61,7% и насыпной плотностью от 0,12 до 0,23 г/см, полученный из порошкового неоргано-лигноцеллюлозного гибрида, характеризующегося средними геометрическими размерами длины и ширины частиц в диапазонах 0,17-0,25 мм и 29,7-35,6 мкм с содержанием атомов титана от 0,36 до 1,90 ммоль/г, путем обработки водным раствором серной кислоты c одновременным перемешиванием, выдерживанием полученной суспензии до полного растворения соединений титана, последующим фильтрованием, промывкой водой до нейтральной реакции водной вытяжки и высушиванием до воздушно-сухого состояния. Технический результат состоит в повышении качественных и количественных характеристик порошкового лигноцеллюлозного материала на основе неоргано-лигноцеллюлозного гибрида, что обеспечивает расширение функциональных возможностей и области применения. 4 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области химии лигноцеллюлозы и ее модифицирования, а именно к порошковым неоргано-лигноцеллюлозным гибридам и порошковым лигноцеллюлозным материалам с заданными размерами частиц и значениями насыпной плотности на основе доступного сравнительно дешевого растительного сырья (макулатурных и древесных масс). Изобретение может быть использовано при производстве полимерных композитов (резин, пластмасс), строительных материалов (цементов, бетона, монтажной пены) в качестве наполнителей или модификаторов полимерных композиций технического назначения.
Известен тонкий порошок на основе бумажной массы со средним размером диаметра частиц 25-50 мкм, получаемый для использования в композиции со смолой путем измельчения в мельницах вальцового типа [Pat. US 8038841 В2, Data 23.09.2010]. Недостатком изобретения является многостадийное измельчение на сложном оборудовании с отсутствием метода определения размеров частиц, подтверждающего заявленные характеристики измельченного продукта.
Известны порошковые материалы с длиной частиц 0,2-0,25 мм, полученные на основе бумажной массы механическим измельчением в ножевых мельницах [Valente М., J., Quitadamo A., Santulli С. Paper fiber filled polymer. Mechanical evaluation and interfaces modification // Composites Part B: Engineering. 2016. Vol. 110. Pp. 520-529]. Недостатком является энергозатратное, многостадийное механическое воздействие, в частности, трехстадийный размол, вызывающий истирание рабочей поверхности ножей в мельницах.
Известна порошковая целлюлоза, полученная осушением жидкой дисперсии предварительно гидролизованной целлюлозы и со средним диаметром частиц 0,03-0,25 мм и кажущимся удельным объемом, превышающим 7 см3/г, которая применима в различных областях химической промышленности в качестве наполнителя для формованного изделия [Jamasaki Naoaki, Obae Kazukhiro, Ibuki Itiro. Powdered cellulose. Patent RU 2297426 C2. Date of publication. 20.04.2007, Bui. No. 11]. Недостатком изобретения является получение порошковой целлюлозы на основе дорогостоящей технической целлюлозы многостадийными и энергозатратными способами, при этом степень полимеризации целлюлозы составляет 150-450, где верхняя граница диапазона соответствует коротковолокнистым продуктам деструкции, а средний размер частиц находится в широком размерном диапазоне от 0,03 до 0,25 мм.
Известны порошковые целлюлозы, полученные из древесных полуфабрикатов целлюлозно-бумажных предприятий, соломы травянистых растений, макулатуры (газетной массы) под воздействием растворов кислот Льюиса в органическом растворителе при перемешивании, с последующей отмывкой и сушкой целевого продукта [Пат. 2478664, опубл. 10.04.2013, бюл. №33]. Недостатками изобретения являются отсутствие информации о размерных характеристиках получаемых порошков, которые определяют направление их использования, расход растворителей на промывку продуктов, а в случае макулатурной массы проведение перед обработкой дополнительной энергозатратной химической стадии облагораживания.
Наиболее близким аналогом является порошковые титансодержащие целлюлозные материалы, полученные по патенту РФ 2493169 [опубл. 20.09.2013, бюл. №26] путем воздействия титансодержащего раствора кислоты Льюиса (тетрахлорида титана, TiCl4) на древесные полуфабрикаты, травянистое и макулатурное (газетная масса) сырье при температуре 20-70°С и перемешивании в течение 2-300 мин в диапазоне концентраций раствора тетрахлорида титана 16-204 ммоль/дм3 в органическом растворителе. Содержание титана (IV) в целевых продуктах составляет от 3,6 до 91,0 мг/г и регулируется концентрацией раствора кислоты Льюиса, взятой на реакцию. Размер частиц в получаемых целлюлозных порошках варьируется от 50 до 200 мкм. Недостатками изобретения являются расход растворителей на промывку целевых продуктов, а также их размерные характеристики, определенные малоинформативным ситовым методом, который не дает полного представления о форме и геометрических размерах частиц продукта.
Целью изобретения является получение порошковых неоргано-лигноцеллюлозных гибридов и порошковых лигноцеллюлозных материалов технического назначения из дешевых макулатурных или древесных масс.
Технический результат состоит в повышении выхода порошкового неоргано-лигноцеллюлозного гибрида и лигноцеллюлозного материала на его основе, характеризующегося меньшими размерами частиц, что обеспечивает расширение функциональных возможностей и области применения. Кроме того, обеспечивается сокращение расходов на предварительную стадию облагораживания макулатурной массы и промывку целевого продукта органическим растворителем, при этом конечный продукт имеет повышенные качественные и количественные характеристики.
Технический результат достигается тем, что порошковый неоргано-лигноцеллюлозный гибрид, характеризующийся средней длиной частиц в диапазоне 0,17-0,25 мм и шириной - 29,7-35,6 мкм с долей частиц длиной 0,12-0,15 мм от 32,9% до 65,2%, насыпной плотностью 0,11-0,27 г/см3 и содержанием атомов титана от 0,36 до 1,90 ммоль/г, получают обработкой воздушно-сухих или влажных макулатурных, древесных масс смесью органического растворителя гексана или тетрахлорметана и легкогидролизуемой кислоты Льюиса (TiCl4) при температуре 20-78°С продолжительностью 2-60 мин с обеспечением равномерного воздействия реагента на сырье путем перемешивания или встряхивания или кипячения, с последующим фильтрованием твердого остатка и высушиванием до воздушно-сухого состояния, полученный твердый остаток сохраняет объемную форму исходного или частично деструктированного сырья, целевой продукт получают разрушением полученной формы механическим сдавливанием или растиранием на сите до порошкового состояния.
Технический результат достигается тем, что на основе порошкового неоргано-лигноцеллюлозного гибрида получают порошковый лигноцеллюлозный материал, характеризующийся средней длиной частиц в диапазоне 25,1-34,8 мкм и шириной -0,18-0,26 мм с долей частиц длиной 0,12-0,15 мм от 30,1% до 61,7%, насыпной плотностью 0,10-0,24 г/см3, путем обработки гибридов водным раствором минеральной кислоты с одновременным перемешиванием, выдерживанием полученной суспензии до полного растворения соединений титана, последующим фильтрованием, промывкой водой до нейтральной реакции водной вытяжки и высушиванием до воздушно-сухого состояния.
На рис. 1 представлены микрофотографии ХТММ древесной массы до обработки (а), порошкового неоргано-лигноцеллюлозного гибрида на основе ХТММ при различном видимом поле 1000 мкм (б) и 50 мкм (г), порошкового лигноцеллюлозного материала на основе ХТММ (в), ЭДА спектр выделенного участка (д).
На рис. 2 показано распределение по размеру частиц седиментационным методом порошкового неоргано-лигноцеллюлозного гибрида до отмывки соединений титана (а) и полученного из него порошкового лигноцеллюлозного материала удалением соединений титана (б).
На рис. 3 показано распределение по длине частиц оптическим методом порошкового неоргано-лигноцеллюлозного гибридного материала до отмывки соединений титана (темно-серые столбцы) и полученного из него порошкового лигноцеллюлозного материала удалением соединений титана (серые столбцы).
На рис. 4 показано фракционное распределение частиц по длине оптическим методом (а) исходного сырья, (б) образцов №1,5, 10; (в) образцов №4, 6, 12 (см. табл. 1).
Изобретение осуществляется следующим образом. Способ получения порошкового неоргано-лигноцеллюлозного гибрида заключается в обработке воздушно-сухих или влажных макулатурных, древесных масс смесью органического растворителя (гексан, тетрахлорметан) и легкогидролизуемой кислоты Льюиса (TiCl4), обеспечении равномерного контакта между сырьем и реагентом перемешиванием, встряхиванием или кипячением, фильтровании твердого остатка и высушивании до воздушно-сухого состояния. Обработку осуществляют при температуре 20-78°С продолжительностью 2-60 мин. Полученный продукт, сохраняющий форму исходного или частично деструктированного сырья, разрушается при механическом ручном воздействии надавливанием или растиранием на сите, приобретая порошковый вид. Порошковый неоргано-лигноцеллюлозный гибрид характеризуется высоким выходом (масса продукта превышает навеску обрабатываемого сырья на 5,6-32%), насыпной плотностью 0,11-0,27 г/см3, средней длиной и шириной частиц в диапазоне 0,17-0,25 мм и 29,7-35,6 мкм соответственно; основная доля частиц 32,9-65,2% имеет длину 0,12-0,15 мм. Высокий выход продукта достигается за счет адсорбции соединений неорганической природы, содержание атомов титана в нем варьируется от 0,36 до 1,90 ммоль/г.
Способ получения порошковых лигноцеллюлозных материалов заключается в обработке неоргано-лигноцеллюлозных гибридов водным раствором минеральной кислоты (1,0 М раствор H2SO4 или HCl), перемешивании, выдерживании суспензии 0,5-8 часов для полного растворения соединений титана, фильтровании, промывке водой до нейтральной реакции водной вытяжки и высушивании до воздушно-сухого состояния. Продукт представляет собой светло-бежевый порошок без запаха, отличаясь незначительным расхождением размеров частиц 0,18-0,26 мм и насыпной плотности 0,10-0,24 г/см3 по сравнению с неоргано-лигноцеллюлозным гибридом; превалирующая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм сохраняется.
Преимущества порошковых неоргано-лигноцеллюлозных гибридов и порошковых лигноцеллюлозных материалов заключается в использовании дешевого сырья: древесных и макулатурных масс. Размеры частиц продуктов изобретения по данным ситового анализа не уступают размерам целлюлозных и лигноцеллюлозных порошков, полученных аналогичным образом из более ценного сырья - технических и очищенных от сопутствующих компонентов целлюлоз травянистых и древесных растений.
При этом порошковые неоргано-лигноцеллюлозные гибриды выгодно отличаются повышенной массой.
Преимущества предлагаемого способа получения порошкового неоргано-лигноцеллюлозного гибрида и порошкового лигноцеллюлозного материала заключаются в простоте и эффективности химической обработки в одну стадию в условиях атмосферного давления, не требующей дополнительных реагентов для предобработки сырья; в снижении затрат на промывку органическим растворителем вследствие исключения этой стадии; в снижении энергетических затрат на отсутствие подогрева или в случае его применения до температур, не превышающих температуру кипения обрабатываемой смеси; в многократном применении органического растворителя без дополнительной трудоемкой стадии его обезвоживания после очистки простой перегонкой. В то время как альтернативные способы получения порошковых материалов механическим измельчением макулатурного сырья являются многостадийными, энергозатратными, требующими использования сложного оборудования со сменой режущих элементов, которые часто приходится точить из-за истирания рабочей поверхности. Химические способы переработки макулатурной массы требует дополнительных расходов на стадию предварительной подготовки (облагораживание), что является продолжительным, энерго- и реагентозатратным. Сложность известных механических и химических способов переработки макулатурной массы обусловлена плотной листовой проклеенной структурой, наличием смол, типографских красок, сопутствующих компонентов - загрязнителей, а также способностью легко подвергаться электростатическому воздействию. Снижение большинства указанных влияний достигается пропитыванием макулатурной массы водой, что приводит к размягчению ее плотной структуры и обеспечению доступа деструктирующего реагента внутрь бумажного или картонного листа в процессе обработки смесью толерантного органического растворителя и легкогидролизуемой кислоты Льюиса. При этом увеличения поверхности исходного сырья тереблением или предварительным размолом не требуется.
На рис. 1 представлены микрофотографии сырья до обработки (а) и полученных на его основе порошкового неоргано-лигноцеллюозного гибрида (б, г) и порошкового лигноцеллюлозного материала (в). Также приведен спектр энергодисперсионного анализа выделенного участка (д), подтверждающий наличие соединений, в составе которых находятся атомы титана, хлора, кислорода. В качестве подложки использовали углеродный скотч.
Для изобретения можно использовать все виды макулатурного сырья (предпочтительнее картон и бумагу без типографской краски): группы «Б» марки МС-5Б, МС-6Б; группы «В» марки МС-8В, МС-9В, МС-10В (ГОСТ 10700-97). Так же могут быть использованы все виды древесных масс - волокнистых полуфабрикатов, состоящих из целлюлозы и лигнина (например, термомеханическая (ТММ) и химико-термомеханическая массы (ХТММ)). Для достижения технического результата рекомендуется обрабатывать влажную макулатурную массу, предварительно выдержав ее в воде до полного пропитывания. Продолжительность увлажнения для каждого вида макулатуры подбирается индивидуально (от 2 мин и более) и зависит от степени ее проклейки. Пропитывание макулатурной массы водой приводит к размягчению ее плотной структуры и обеспечивает доступ реакционной жидкости внутрь, не требуя дополнительной стадии облагораживания.
Количество молей воды, вносимых с древесной или макулатурной массой, по отношению к кислоте Льюиса, в частности к TiCl4, не должно превышать 110 раз при соблюдении условия: TiCl4 / макулатурная или древесная массы ≥ 0,21 ммоль/г. Допускается увеличение количества молей воды при выполнении условия: TiCl4 / макулатурная или древесная массы > 1,5-2,1 ммоль/г. Использование молей TiCl4 менее чем 0,21 ммоль/г приводит к ухудшению результата деструкции, длина частиц получается больше, фракционное распределение по длине шире. Применение молей TiCl4 более чем 2,1 ммоль/г приводит к неполной физической адсорбции соединений титана, образованных в результате частичного гидролиза TiCl4, поверхностью лигноцеллюлозного сырья, что является причиной нецелесообразного расходования реагента при хорошем результате деструкции.
Обработку древесной и макулатурной массы проводят в среде толерантного к TiCl4 органического растворителя, к которым относят апротонные неполярные растворители такие, как гексан, тетрахлорметан, гептан, бензол и другие, не взаимодействующие с кислотой Льюиса.
В качестве кислоты Льюиса выбирают TiCl4 или любые другие легкогидролизуе-мые галогениды элементов переменной валентности из ряда SiCl4, AlCl3, SnCl4, SbCl5, PCl3, а также их смеси, позволяющие деструктировать лигноцеллюлозное сырье до длины частиц 0,20-0,25 мм и менее. При взаимодействии с молекулами воды указанные кислоты Льюиса образуют деструктирующий агент - хлороводород и полярные интермедиаты (неустойчивые промежуточные продукты) неорганической природы, которые адсорбируются на поверхности лигноцеллюлозног о сырья посредством электростатических сил и не удаляются при промывке толерантным органическим растворителем, что объясняет исключение этой стадии. Оттягивая электронную плотность в макромолекулах целлюлозы и лигнина, интермедиаты ослабляют их эфирные связи, которые легче разрываются под действием хлороводорода. При высушивании обработанного лигноцеллюлозного сырья интермедиаты претерпевают дальнейшее гидролитическое превращение с формированием поверхностного слоя из аморфных неорганических соединений посредством кислородных мостиковых связей, тем самым удерживая от улетучивания выделяемый газообразный хлороводород. Это продлевает его деструктирующее действие.
При добавлении кислоты Льюиса к неосушенному (содержащему молекулы воды) толерантному органическому растворителю в нем образуется дисперсная фаза -твердые неорганические интермедиаты. Для их равномерной адсорбции поверхностью древесной или макулатурной массы целесообразно создать условие для движения в органическом растворителе дисперсной фазы, что достигается перемешиванием, встряхиванием, кипячением. Соблюдение этого условия обеспечивает равномерное распределение неорганических интермедиатов на поверхности древесной или макулатурной массы при их контакте и однородную степень деструкции при высушивании продукта. При этом нагрев, в том числе кипячение, приводит к ускорению реакции деструкции.
Жидкостной модуль для обработки древесной и макулатурной массы подбирается индивидуально так, чтобы обеспечить ее полное смачивание жидкостью и равномерный контакт с реагентом перемешиванием, встряхиванием, кипячением. Жидкостной модуль устанавливается варьированием объема используемого толерантного к TiCl4 органического растворителя.
В полученных неоргано-лигноцеллюлозных гибридах содержатся легкорастворимые соединения титана, которые удаляются водным раствором минеральной кислоты (предпочтительнее 1,0 М раствором серной или соляной кислот) и промывкой водой до нейтральной реакции водной вытяжки. В результате получаются порошковые лигноцеллюлозные материалы с незначительным расхождением по сравнению с неоргано-лигноцеллюлозными гибридами размеров частиц 0,18-0,26 мм и насыпной плотности 0,10-0,24 г/см3, при этом превалирующая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм сохраняется.
В целях получения порошковых лигноцеллюлозных материалов с меньшими размерами частиц удаление соединений титана следует проводить после высушивания до воздушно-сухого состояния неоргано-лигноцеллюлозных гибридов. При этом продолжительность их хранения улучшает результат деструкции, способствуя пролонгированному действию хлороводорода даже в отсутствие органических растворителей. Удаление соединений титана приводит к стабильности размерных характеристик и насыпной плотности получаемых в результате порошковых лигноцеллюлозных материалов.
Получение невымываемых прочно закрепленных соединений титана на поверхности продукта достигается термической обработкой порошковых неоргано-лигноцеллюлозных гибридов при температуре от 100 до 250°С не менее 2 часов в сушильном шкафу или в любом другом поддерживающем термические условия оборудовании. Рекомендуется использовать температуру ниже температуры интенсивного разложения целлюлозы. Прогрев образцов способствует дополнительному уменьшению размеров частиц.
Определение размеров частиц порошковых неоргано-лигноцеллюлозных гибридов и порошковых лигноцеллюлозных материалов осуществляют на оптическом приборе L&W Fiber Tester (2010, Швеция), позволяющем охарактеризовать их форму и размер. Определение средних геометрических размеров сканированных частиц (средняя длина и средняя ширина) в их водной суспензии представляет собой результат среднего арифметического их длины или ширины.
Используемый нами оптический метод определения размеров частиц в продукте по сравнению с другими известными методами, такими как седиментационный и ситовой, имеет преимущества. Ниже продемонстрированы результаты определения размеров частиц (пункты 1-3) на одном и том же порошковом неоргано-лигноцеллюлозном гибриде (до и после удаления с соединений титана). Данный образец получен обработкой технической целлюлозы с содержанием лигнина 0,9% в системе, образованной из С6Н14 и TiCl4.
1. Результаты ситового анализа показали, что 100% частиц в этом образце (до и после удаления соединений титана) были просеяны через сито с диаметром отверстий 100 мкм (в нашем случае, это был минимальный размер отверстий сита). Размер частиц просеянного образца не превышает в одном из геометрических направлений диаметр отверстий в сите. При палочкообразной форме частиц, в которых длина превышает ширину более чем в 2 раза, просеивание осуществляется за счет ширины частиц, характеризующейся размером менее 100 мкм. Метод используется для приблизительной оценки размеров частиц.
2. Результаты седиментационного метода, рассчитанные по скорости осаждения частиц в гексане, получены на фотоседиментографе фирмы FRITISCH «Analysette 20» (рис. 2 а, б). До удаления соединений титана с поверхности частиц превалирующей фракцией (21,3%) являются частицы с медианным диаметром 52,6 мкм, после удаления - 69,6 мкм (20,8%)). Единицы измерения фракций q приводятся в масс. %
Однако седиментационный метод основан на определении медианного диаметра и является малоинформативным методом, поскольку результат рассчитывается согласно условно принимаемой сферической форме частиц и не подходит к частицам палочкообразной формы.
3. Результаты получены на оптическом приборе L&W Fiber Tester (Швеция, 2010) методом сканирования двухмерных изображений частиц в их водных суспензиях (рис. 3). Продукты характеризуются более узким распределением частиц по размеру по сравнению с результатами седиментационного метода. До удаления соединений титана с поверхности частиц превалирующей фракцией (60,9%) являются частицы длиной 0,12-0,15 мм, после удаления - 0,12-0,15 мм (56,6%). Единицы измерения фракций выдаются в количественных (штучных) %.
Содержание кислотонерастворимого лигнина определяли весовым методом, как отношение массы нерастворимого в 72% растворе серной кислоты к массе образца, взятого для анализа, результат представлен в масс. %.
Насыпную плотность определяли отношением массы анализируемого образца к его объему при заполнении свободной насыпкой цилиндра с известным объемом, снимая излишки образца плотным листом бумаги и выравнивая горизонтальную верхнюю поверхность слоя порошка по краю цилиндра.
Содержание атомов титана определяли фотоколориметрическим методом по интенсивности окраски комплекса, образованного катионом Ti(IV) с пероксидом водорода в кислой среде, с помощью градуировочного графика [Свидетельство об аттестации №88-17645-008-Ra. RU. 310657-2016. Методика измерений массовой доли рентгеноаморфного титана в целлюлозных и лигноцеллюлозных материалах, модифицированных в растворах тетрахлорида титана / Фролова С.В., Кувшинова Л.А., Канева М.В. // 2016. 15 с.].
Варианты условий получения порошковых неоргано-лигноцеллюлозных гибридов, а также их физико-химические характеристики, в том числе размерные, поясняющие сущность изобретения, приведены в примерах, табл. 1 и на рис. 4.
Пример 1. Навеску 20,0 г воздушно-сухого коробочного картона (прокладочный) марки «В» (коэффициент сухости 0,93; содержание лигнина 16,9%), предварительно проэкстрагированного в воде при температуре 23°С в течение 15 мин, помещают в коническую колбу, заливают реакционной смесью из 150 см3 гексана и 1,3 см3 TiCl4 (жидкостной модуль 7,5:1), закрывают и встряхивают в течение 15 мин при 23°С. Обработанную лигноцеллюлозную массу отфильтровывают с помощью стеклянного фильтра и высушивают до воздушно-сухого состояния в вытяжном шкафу при температуре 25±2°С с доступом воздуха. Масса продукта превышает исходную навеску на 9,1%. Полученный твердый остаток сохраняет объемную форму исходного или частично деструктированного сырья. Целевой продукт получают разрушением объемной формы механическим сдавливанием высушенного остатка, который представляет собой порошок серо-бежевого цвета. Полученный порошковый неоргано-лигноцеллюлозный гибрид имеет следующие характеристики: содержание лигнина 14,1%), насыпная плотность 0,14 г/см3. Средние геометрические размеры длины и ширины частиц =0,23 мм и wcp=29,8 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 49,7% (табл. 1 №2).
Для получения порошкового лигноцеллюлозного материала удаляют соединения титана 10%-ым раствором серной кислоты с последующей промывкой водой до нейтральной реакции и высушиванием. Продукт представляет собой порошковый лигноцеллюлозный материал светло-бежевого цвета с насыпной плотностью 0,14 г/см3. Средние геометрические размеры длины и ширины частиц =0,24 мм и wcp=26,3 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 45,2%.
Пример 2. Навеску 20,0 г воздушно-сухого упаковочного картона марки «В» (коэффициент сухости 0,95; содержание лигнина 15,1%), предварительно проэкстрагированного в воде при температуре 100°С в течение 60 мин, помещают в коническую колбу, заливают реакционной смесью из 150 см3 гексана и 4,6 см3 TiCl4 (жидкостной модуль 7,5:1), выдерживают при температуре кипения жидкости (72°С) 60 мин с обратным холодильником. Обработанную лигноцеллюлозную массу отфильтровывают с помощью стеклянного фильтра и высушивают до воздушно-сухого состояния в вытяжном шкафу при температуре 25±2°С с доступом воздуха. Масса продукта превышает исходную навеску на 31,9%. Полученный твердый остаток сохраняет объемную форму исходного или частично деструктированного сырья. Целевой продукт получают разрушением формы, путем растирания высушенного остатка, который представляет собой порошок серо-бежевого цвета. Полученный порошковый неоргано-лигноцеллюлозный гибрид имеет следующие характеристики: содержание лигнина 15,0%, насыпная плотность 0,27 г/см3, средние геометрические размеры длины и ширины частиц - мм и wcp=31,2 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 59,1% (табл. 1 №6).
Для получения порошкового лигноцеллюлозного материала удаляют соединения титана 10%-ым раствором серной кислоты с последующей промывкой водой до нейтральной реакции и высушиванием. Продукт представляет собой порошковый лигно-целлюлозный материал без запаха светло-бежевого цвета с насыпной плотностью 0,23 г/см3. Средние геометрические размеры длины и ширины частиц мм и wcp=25,1 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 57,4%.
Пример 3. Навеску 20,0 г гофрированного трехслойного картона марки МС-5Б с содержанием лигнина 12,8% помещают в воду для пропитывания на 60 мин, отфильтровывают и заливают 200 см3 тетрахлорметана, добавляют 2,3 см3 TiCl4 (жидкостной модуль 12,5:1), закрывают и перемешивают при температуре 23°С в течение 30 мин. Обработанную лигноцеллюлозную массу отфильтровывают с помощью стеклянного фильтра и высушивают в вытяжном шкафу до воздушно-сухого состояния при температуре 25±2°С. Масса продукта превышает исходную навеску на 14,6%. При растирании высушенный продукт рассыпается в порошок серо-бежевого цвета. Полученный порошковый неоргано-лигноцеллюлозный гибрид имеет следующие характеристики: содержание лигнина 11,7%, насыпная плотность 0,19 г/см3, средние геометрические размеры длины и ширины частиц - мм и wcp=30,3 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 58,4% (табл. 1 №7).
Для получения порошкового лигноцеллюлозного материала удаляют соединения титана 10%-ым раствором серной кислоты с последующей промывкой водой до нейтральной реакции и высушиванием. Продукт собой порошковый лигноцеллюлозный материал без запаха светло-бежевого цвета с насыпной плотностью 0,18 г/см3. Средние геометрические размеры длины и ширины частиц мм и wcp=29,1 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 55,7%.
Пример 4. Навеску 20,0 г воздушно-сухой химико-термомеханической массы (ХТММ) с коэффициентом сухости 0,94 и содержанием лигнина 31,2% помещают в коническую колбу, заливают реакционной смесью из 200 см3 гексана и 0,9 см3 TiCl4 (жидкостной модуль 10:1), выдерживают с обратным холодильником при температуре кипения жидкости (70°С) 10 мин. Обработанную лигноцеллюлозную массу отфильтровывают с помощью стеклянного фильтра и высушивают в вытяжном шкафу до воздушно-сухого состояния при температуре 25±2°С. Масса продукта превышает исходную навеску на 5,6%. При надавливании или растирании высушенный продукт рассыпается в порошок серо-бежевого цвета. Полученный порошковый неоргано-лигноцеллюлозный гибрид имеет следующие характеристики: содержание лигнина 25,2%, насыпная плотность 0,11 г/см3, средние геометрические размеры длины и ширины частиц - мм и wcp=35,6 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 32,9% (табл. 1 №9).
Для получения порошкового лигноцеллюлозного материала удаляют соединения титана 10%-ым раствором серной кислоты с последующей промывкой водой до нейтральной реакции и высушиванием. Продукт собой порошковый лигноцеллюлозный материал без запаха светло-бежевого цвета с насыпной плотностью 0,12 г/см3. Средние геометрические размеры длины и ширины частиц мм и wcp=34,8 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм - 30,1%.
Пример 5. Навеску 20,0 г воздушно-сухой химико-термомеханической массы (ХТММ) с коэффициентом сухости 0,94 и содержанием лигнина 31,2% помещают в коническую колбу, заливают реакционной смесью из 200 см3 гексана и 4,6 см3 TiCl4 (жидкостной модуль 10:1), выдерживают с обратным холодильником при температуре кипения жидкости (72°С) 30 мин. Обработанную лигноцеллюлозную массу отфильтровывают с помощью стеклянного фильтра и высушивают в вытяжном шкафу до воздушно-сухого состояния при температуре 25±2°С. Масса продукта превышает исходную навеску на 25,2%. При надавливании или растирании высушенный продукт рассыпается в порошок серо-бежевого цвета. Полученный порошковый неоргано-лигноцеллюлозный гибрид имеет следующие характеристики: содержание лигнина 21,6%, насыпная плотность 0,19 г/см3, средние геометрические размеры длины и ширины частиц - мм и wcp=31,3 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 46,0% (табл. 1 №12).
Для получения порошкового лигноцеллюлозного материала удаляют соединения титана 10%-ым раствором серной кислоты с последующей промывкой водой до нейтральной реакции и высушиванием. Продукт собой порошковый лигноцеллюлозный материал без запаха светло-бежевого цвета с насыпной плотностью 0,14 г/см3. Средние геометрические размеры длины и ширины частиц мм и wcp=29,8 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм - 43,8%.
Пример 6. Навеску 20,0 г воздушно-сухой термомеханической массы (ТММ) с коэффициентом сухости 0,93 и содержанием лигнина 31,9% заливают 200 см3 тетра-хлорметана, добавляют 4,6 см3 TiCl4 (жидкостной модуль 10:1), перемешивают, выдерживают с обратным холодильником при температуре кипения жидкости (78°С) 30 мин. Обработанную лигноцеллюлозную массу отфильтровывают с помощью стеклянного фильтра и высушивают в вытяжном шкафу до воздушно-сухого состояния при температуре 25±2°С. Масса продукта превышает исходную навеску на 25,7%. При надавливании или растирании высушенный продукт рассыпается в порошок серо-бежевого цвета. Полученный порошковый неоргано-лигноцеллюлозный гибрид имеет следующие характеристики: содержание лигнина 26,3%, насыпная плотность 0,21 г/см3, средние геометрические размеры длины и ширины частиц - мм и wcp=30,6 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 65,2% (табл. 1 №14).
Для получения порошкового лигноцеллюлозного материала удаляют соединения титана 10%-ым раствором серной кислоты с последующей промывкой водой до нейтральной реакции и высушиванием. Продукт собой порошковый лигноцеллюлозный материал без запаха светло-бежевого цвета с насыпной плотностью 0,15 г/см3. Средние геометрические размеры длины и ширины частиц мм и wcp=28,3 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 61,7%.
Пример 7. Навеску 20,0 г термомеханической массы (ТММ) с содержанием лигнина 31,9% помещают в воду для пропитывания на 60 мин, отфильтровывают и заливают 200 см3 гексана, добавляют 4,6 см3 TiCl4 (жидкостной модуль 10:1), закрывают и встряхивают при температуре 20°С в течение 2 мин. Обработанную лигноцеллюлозную массу отфильтровывают с помощью стеклянного фильтра и высушивают в вытяжном шкафу до воздушно-сухого состояния при температуре 22±2°С. Масса продукта превышает исходную навеску на 24,9%. При растирании высушенный продукт рассыпается в порошок серо-бежевого цвета. Полученный порошковый неоргано-лигноцеллюлозный гибрид имеет следующие характеристики: содержание лигнина 26,6%, насыпная плотность 0,20 г/см3, средние геометрические размеры длины и ширины частиц - мм и wcp=30,4 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 63,1% (табл. 1 №15).
Для получения порошкового лигноцеллюлозного материала удаляют соединения титана 10%-ым раствором серной кислоты с последующей промывкой водой до нейтральной реакции и высушиванием. Продукт собой порошковый лигноцеллюлозный материал без запаха светло-бежевого цвета с насыпной плотностью 0,15 г/см3. Средние геометрические размеры длины и ширины частиц мм и wcp=29,5 мкм соответственно. Преобладающая фракция с длиной частиц 0,12-0,15 мм составляет 57,7%.
На рис. 4 для наглядности приведено распределение частиц в исходных макулатурной и древесной массах (а) и в полученных на их основе порошковых неоргано-лигноцеллюлозных гибридах при двух расходах TiCl4 (б - 1,3 см3) и (в - 4,6 см3). В табл. 1 эти образцы пронумерованы 1,5, 10 (б) и 4, 6, 12 (в).
L - содержание лигнина; - средняя длина частиц; wcp - средняя ширина частиц; V -объем растворителя; Ж.м. - жидкостной модуль (объем растворителя: масса сырья); Т - температура обработки; τ - продолжительность обработки; Ti(IV) - содержание атомов титана в порошковом неоргано-лигноцеллюлозном гибриде; ρ - насыпная плотность; f - доля преобладающей фракции с длинной частиц 0,12-0,15 мм.
Производство древесных масс дешевле и проще по сравнению с процессом получения целлюлозы, а большая часть волокон макулатурной массы не пригодна для вторичного получения бумаги и картона в связи с утратой бумагообразующих свойств, поэтому их целесообразно применять в технических отраслях промышленности вместо дорогостоящих целлюлозных полуфабрикатов, таких как хлопковая [Жданова С.В., Пугачева И.Н., Никулин С.С.Способ получения наполненного бутадиен-стирольного каучука. Патент РФ 2515431 С2, опубл. 10.05.14., Бюл. №13] и техническая беленая целлюлоза. Это позволит решить актуальные проблемы утилизации картонно-бумажных отходов и ресурсосбережения. Использование порошковых неоргано-лигноцеллюлозных гибридов и лигноцеллюлозных порошков, например, в качестве наполнителей, модификаторов при производстве полимерных композитов (резин, пластмасс), строительных материалов (цементов, бетона, монтажной пены, элементов декора) способствует снижению стоимости последних.
Известно, что присутствие в полимерных композициях порошковых материалов на основе лигноцеллюлозного сырья с длиной деструктированных частиц менее 0,20-0,25 мм приводит к улучшению механических свойств, оказывает влияние на способность к влагопоглощению, плотность состава, его теплофизические и прочие характеристики [Valente М., J., Quitadamo A., Santulli С. Paper fiber filled polymer. Mechanical evaluation and interfaces modification // Composites Part B: Engineering. 2016. Vol. 110. Pp. 520-529. DOI: 10.1016 / j.compositesb. 2016.11.013; Sajith S., Arumugam V., Dhakal H. Comparison on mechanical properties of lignocellulosic flour epoxy composites prepared by using coconut shell, rice husk and teakwood as fillers // Polymer Testing. 2017. Vol. 58. Pp. 60-69. DOI: 10.1016 / j.polymertesting. 2016.12.015; Agnantopoulou E., Tserki V., Marras S., Philippou J., Panayiotou С Development of biodegradable composites based on wood waste flour and thermoplastic starch // Journal of Applied Polymer Science. 2012. Vol. 126. Pp. E273-E281; Neeraj Bisht, Prakash Chandra Gope. Mechanical properties of rice husk flour reinforced epoxy biocomposite // Int. Journal of Engineering Research and Applications. 2015. Vol. 5, Issue 6, (Part-3). Pp. 123-128]. При этом регулирование свойств композитов достигается варьированием степени наполнения, путем изменения массовой доли вносимого порошкового лигноцеллюлозного материала или гибрида, а также размерных характеристик частиц [Neeraj Bisht, Prakash Chandra Gope. Mechanical properties of rice husk flour reinforced epoxy biocomposite // Int. Journal of Engineering Research and Applications. 2015. Vol. 5, Issue 6, (Part -3). Pp.123-128; Viola Hospodarova, Nadezda Stevulova, Jozef Junak, Anton Geffert, Frantisek Kacik, Jaroslav Briancin. Cement Materials Based on Cellulosic Fibers for Plasters // SSP - Journal of civil engineering. 2017. Vol. 12. Issue 1. Pp. 37-46]. Преимуществом применения в качестве наполнителя, модификатора полимерных композитов целевых продуктов изобретения со сравнительно малыми геометрическими размерами частиц является их равномерное распределение в объеме полимерных матриц различного состава. Кроме того, наличие соединений неорганической природы на поверхности лигноцеллюлозных порошков способствует предотвращению агломерации частиц, вследствие изменения сетки водородных связей в неоргано-лигноцеллюлозном гибриде [Valente М., J., Quitadamo A., Santulli С. Paper fiber filled polymer. Mechanical evaluation and interfaces modification // Composites Part B: Engineering. 2016. Vol. 110. Pp. 520-529]. Присутствие в них хлороводорода снижает расход подкисляющих реагентов, добавляемых при производстве полимерных композитов (например, эмульсионных каучуков [Никулин С.С, Пугачева И.Н. Применение отходов текстильной промышленности для получения порошкообразных наполнителей // Химия и химическая технология. 2012. Т. 55. Вып. 5. С.104-107; Пугачева И.Н., Никулин С.С, Провоторова М.А., Шульгина Ю.Е. Получение эластомерных композиций на основе бутадиен-стирольного каучука, содержащего добавки многофункционального действия // Фундаментальные исследования. 2014. №8. С. 327-330; Пугачева И.Н., Харитонова Л.А., Никулин С.С.Модификация эмульсионных каучуков порошкообразной целлюлозной добавкой // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2013. №6. С. 131-132]). Кроме того, наполнение полимерных композитов порошковыми лигноцеллюлозными материалами или порошковыми неоргано-органическими гибридами придает способность к биологическому разложению [Биоразлагаемая термопластичная композиция: пат. 2473578 RU, МПК C08L 97/02 / П.В. Пантюхов, Н.Н. Колесникова, А.А. Попов; заявитель Федер. гос. бюджет, учреждение науки Ин-т биохим. физики им. Н.М. Эмануэля Рос. акад. наук. - №2011126234/05; заявл. 27.06.2011; опубл. 27.01.2013 // Патенты России. Сводный индекс. RU 15.01.1994 - 27.03.2015] или, напротив, ингибированию действия ферментов в зависимости от заданной цели.
Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям (программа «УМНИК» договор №8319 ГУ / 2015).
Claims (1)
- Порошковый лигноцеллюлозный материал, характеризующийся средними геометрическими размерами длины и ширины частиц в диапазонах 0,18-0,26 мм и 25,1-34,8 мкм соответственно, с долей частиц длиной 0,12-0,15 мм от 30,1 до 61,7% и насыпной плотностью от 0,12 до 0,23 г/см3, полученный из порошкового неоргано-лигноцеллюлозного гибрида, характеризующегося средними геометрическими размерами длины и ширины частиц в диапазонах 0,17-0,25 мм и 29,7-35,6 мкм с содержанием атомов титана от 0,36 до 1,90 ммоль/г, путем обработки водным раствором серной кислоты c одновременным перемешиванием, выдерживанием полученной суспензии до полного растворения соединений титана, последующим фильтрованием, промывкой водой до нейтральной реакции водной вытяжки и высушиванием до воздушно-сухого состояния.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017146488A RU2680046C1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Порошковый лигноцеллюлозный материал на основе неоргано-лигноцеллюлозного гибрида |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017146488A RU2680046C1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Порошковый лигноцеллюлозный материал на основе неоргано-лигноцеллюлозного гибрида |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2680046C1 true RU2680046C1 (ru) | 2019-02-14 |
Family
ID=65442487
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017146488A RU2680046C1 (ru) | 2017-12-27 | 2017-12-27 | Порошковый лигноцеллюлозный материал на основе неоргано-лигноцеллюлозного гибрида |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2680046C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2297426C2 (ru) * | 2003-05-30 | 2007-04-20 | Асахи Касеи Кемикалз Корпорейшн | Порошковая целлюлоза |
US8038841B2 (en) * | 2009-11-02 | 2011-10-18 | Kankyokeieisogokenkyusho Co., Inc. | Method for producing fine paper powder and resin composition containing the same |
RU2478664C2 (ru) * | 2011-05-16 | 2013-04-10 | Учреждение Российской академии наук Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН | Способ получения порошковой целлюлозы |
RU2493169C1 (ru) * | 2012-04-20 | 2013-09-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук | Способ получения титансодержащих целлюлозных материалов |
-
2017
- 2017-12-27 RU RU2017146488A patent/RU2680046C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2297426C2 (ru) * | 2003-05-30 | 2007-04-20 | Асахи Касеи Кемикалз Корпорейшн | Порошковая целлюлоза |
US8038841B2 (en) * | 2009-11-02 | 2011-10-18 | Kankyokeieisogokenkyusho Co., Inc. | Method for producing fine paper powder and resin composition containing the same |
RU2478664C2 (ru) * | 2011-05-16 | 2013-04-10 | Учреждение Российской академии наук Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН | Способ получения порошковой целлюлозы |
RU2493169C1 (ru) * | 2012-04-20 | 2013-09-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук | Способ получения титансодержащих целлюлозных материалов |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gharbi et al. | Composite materials from unsaturated polyester resin and olive nuts residue: The effect of silane treatment | |
Correia et al. | Grinding process for the production of nanofibrillated cellulose based on unbleached and bleached bamboo organosolv pulp | |
Lv et al. | Tailored and integrated production of functional cellulose nanocrystals and cellulose nanofibrils via sustainable formic acid hydrolysis: kinetic study and characterization | |
Chen et al. | Study on structure and thermal stability properties of cellulose fibers from rice straw | |
Giorgi et al. | Nanotechnologies for conservation of cultural heritage: paper and canvas deacidification | |
Jarabo et al. | Use of cellulose fibers from hemp core in fiber-cement production. Effect on flocculation, retention, drainage and product properties | |
Sethi et al. | Sonication-assisted surface modification method to expedite the water removal from cellulose nanofibers for use in nanopapers and paper making | |
Silva et al. | Characterization of three non-product materials from a bleached eucalyptus kraft pulp mill, in view of valorising them as a source of cellulose fibres | |
Liu et al. | Sustainable preparation of lignocellulosic nanofibrils and cellulose nanopaper from poplar sawdust | |
Jabli et al. | Almond shell waste (Prunus dulcis): Functionalization with [dimethy-diallyl-ammonium-chloride-diallylamin-co-polymer] and chitosan polymer and its investigation in dye adsorption | |
Aripin et al. | Cassava peels for alternative fibre in pulp and paper industry: chemical properties and morphology characterization | |
Daud et al. | Comparison of pineapple leaf and cassava peel by chemical properties and morphology characterization | |
Dias et al. | Eco-friendly laccase and cellulase enzymes pretreatment for optimized production of high content lignin-cellulose nanofibrils | |
Gilfillan et al. | Preparation and characterization of composites from starch with sugarcane bagasse nanofibres | |
Amiandamhen et al. | The effect of chemical treatments of natural fibres on the properties of phosphate-bonded composite products | |
Taha et al. | Evaluation of eco-friendly cellulose and lignocellulose nanofibers from rice straw using Multiple Quality Index | |
RU2685292C2 (ru) | Бумажная основа, способ её изготовления и защищённый документ с такой основой | |
RU2680046C1 (ru) | Порошковый лигноцеллюлозный материал на основе неоргано-лигноцеллюлозного гибрида | |
Boopasiri et al. | Reinforcing efficiency of pyrolyzed spent coffee ground in styrene-butadiene rubber | |
AU2011320014A1 (en) | Cellulose fibre composition | |
Ichiura et al. | Separation of pulp and inorganic materials from paper sludge using ionic liquid and centrifugation | |
Mao et al. | Effects of carboxyl content on the characteristics of TMP long fibers | |
JP6638290B2 (ja) | 粉末状セルロース | |
Zhang et al. | Eco-Friendly Preparation of Hydrophobic and Flexible Nanocellulose Fibers without Further Modification | |
Antony et al. | Sizing of paper with sucrose octaacetate using liquid and supercritical carbon dioxide as a green alternative medium |