RU2682625C1 - Method for production of nanocrystalline particles of cellulose by catalytic solvolysis in an organic medium - Google Patents

Method for production of nanocrystalline particles of cellulose by catalytic solvolysis in an organic medium Download PDF

Info

Publication number
RU2682625C1
RU2682625C1 RU2018109715A RU2018109715A RU2682625C1 RU 2682625 C1 RU2682625 C1 RU 2682625C1 RU 2018109715 A RU2018109715 A RU 2018109715A RU 2018109715 A RU2018109715 A RU 2018109715A RU 2682625 C1 RU2682625 C1 RU 2682625C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cellulose
solvolysis
catalytic
carried out
particles
Prior art date
Application number
RU2018109715A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Анатольевич Торлопов
Елена Васильевна Удоратина
Филипп Васильевич Легкий
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук
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 Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук
Priority to RU2018109715A priority Critical patent/RU2682625C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2682625C1 publication Critical patent/RU2682625C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08BPOLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B15/00Preparation of other cellulose derivatives or modified cellulose, e.g. complexes
    • DTEXTILES; PAPER
    • D21PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21CPRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C1/00Pretreatment of the finely-divided materials before digesting
    • D21C1/04Pretreatment of the finely-divided materials before digesting with acid reacting compounds

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)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to chemical treatment of cellulose, in particular to methods of producing ultrafine particles and hydrosols of nanocrystalline cellulose, and can be used in pharmaceutical, food, perfume and other industries for production of organic nanoparticles with ordered structure, biocompatible materials based thereon, rheological modifiers and thickeners, plastics fillers, biodegradable polymer materials and composites, paint stabilizers, fibers and emulsions. Method of producing nanocrystalline cellulose particles by catalytic solvolysis in an organic medium in the form of an aqueous dispersion includes controlled destruction of powdered cellulose obtained from softwood or hardwood, or linen, or cotton, extraction, purification of the end product, wherein decomposition is carried out by catalytic solvolysis of cellulose material in a mixture of acetic acid, octanol-1 and phosphotungstic acid, wherein phosphotungstic acid is taken in amount of 0.2–0.3 % of molar relative to anhydroglucose cellulose unit, the ratio of acetic acid/octanol-1 is 10:1 volume parts, cellulose destruction process is carried out at the boiling point of the obtained mixture for 40 minutes, while adding a hydrogen peroxide solution in amount of 0.05 % of the volume of liquid in system every 5 minutes.EFFECT: improved method of producing NCC from different types of celluloses with lower consumption of reagents and reduced duration of de-structuring process.3 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к химической переработке целлюлозы, в частности к способам получения ультрадисперсных частиц и гидрозолей нанокристаллической целлюлозы, и может быть использовано при производстве органических наночастиц с упорядоченным строением, биосовместимых материалов на их основе, реологических модификаторов и загустителей, наполнителей пластиков, биоразлагаемых полимерных материалов и композитов, стабилизаторов красок, волокон, эмульсий, в фармацевтической, пищевой, парфюмерной и в других областях промышленности. The invention relates to the chemical processing of cellulose, in particular to methods for producing ultrafine particles and hydrosols of nanocrystalline cellulose, and can be used in the production of organic nanoparticles with an ordered structure, biocompatible materials based on them, rheological modifiers and thickeners, plastic fillers, biodegradable polymeric materials and composites , stabilizers of paints, fibers, emulsions, in the pharmaceutical, food, perfumery and other industries.

Получение на основе целлюлозы микро- и наноразмерных материалов с высоко упорядоченным строением отдельных частиц построено на особенностях её надмолекулярной организации. Подобные дисперсные частицы и системы на их основе - это востребованные и обладающие широким потенциалом применения формы исходного полисахарида – микрокристаллическая и нанокристаллическая целлюлозы (МКЦ и НКЦ соответственно). The production of micro- and nanoscale materials based on cellulose with a highly ordered structure of individual particles is based on the peculiarities of its supramolecular organization. Such dispersed particles and systems based on them are in demand and with wide potential for application of the form of the initial polysaccharide - microcrystalline and nanocrystalline cellulose (MCC and NCC, respectively).

Известно, что нанокристаллическая целлюлоза, геометрические размеры частиц которой, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, проявляет принципиально новые свойства, которые отсутствуют у целлюлозных материалов с морфологией микрометрового масштаба и выше. НКЦ образуют устойчивые гидрозоли, которые проявляют свойство тиксотропии уже при низких концентрациях; способны к плёнкообразованию. Материалы на основе таких частиц имеют высокую удельную поверхность и прочность; образуют пористые пены и гидрогели с высоким модулем упругости. Эти свойства определяют области применения целлюлозных наноразмерных материалов - получение биоразлагаемых наполнителей для гелей, плёнок, пластиков, средств доставки лекарств, покрытий [Kim J., Shim B. S., Kim H. S., Lee Y., Min S., Jang D., Abas Z., Kim J. Review of nanocellulose for sustainable future materials// International journal of precision engineering and manufacturing – green technology, 2015, Vol. 2, N. 2, P. 197–213; Moon R. J., Martini A., Nairn J., Simonsenf J., Youngblood J. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites // Chem. Soc. Rev., 2011, Vol. 40, N. 7, P. 3941–3994; Воскобойников И.В., Константинова С.А., Коротков А.Н., Гальбрайх Л.С., Иванов В.Ф. Использование нанокристаллической целлюлозы для модифицирования древесно-слоистых пластиков// Химия растительного сырья. 2011. №3. С. 43-46].It is known that nanocrystalline cellulose, the geometric particle sizes of which, in at least one dimension, do not exceed 100 nm, exhibits fundamentally new properties that are absent in cellulosic materials with a morphology of micrometer scale and higher. NCCs form stable hydrosols that exhibit the property of thixotropy even at low concentrations; capable of film formation. Materials based on such particles have a high specific surface area and strength; form porous foams and hydrogels with a high modulus of elasticity. These properties determine the application of cellulosic nanosized materials - the preparation of biodegradable fillers for gels, films, plastics, drug delivery vehicles, coatings [Kim J., Shim BS, Kim HS, Lee Y., Min S., Jang D., Abas Z. , Kim J. Review of nanocellulose for sustainable future materials // International journal of precision engineering and manufacturing - green technology, 2015, Vol. 2, N. 2, P. 197–213; Moon R. J., Martini A., Nairn J., Simonsenf J., Youngblood J. Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites // Chem. Soc. Rev., 2011, Vol. 40, N. 7, P. 3941-3994; Voskoboinikov I.V., Konstantinova S.A., Korotkov A.N., Galbraich L.S., Ivanov V.F. The use of nanocrystalline cellulose for the modification of wood-laminated plastics // Chemistry of plant raw materials. 2011. No3. S. 43-46].

Расширенная сырьевая база – распространённость и ботаническое разнообразие растений и других продуцентов целлюлозы, многие из которых культивируются открывает возможность использовать стандартные методы для получения частиц НКЦ с отличающимися в зависимости от происхождения полисахарида кристалличностью, морфологией, агрегативной и термической устойчивостью, оптическими и механическими свойствами [Jonoobi M., Oladi R., Davoudpour Y., Oksman K., Dufresne A., Hamzeh Y., Davoodi R. Different preparation methods and properties of nanostructured cellulose from various natural resources and residues: a review // Cellulose (2015) 22:935–969.+ Elazzouzi-Hafraoui S., Nishiyama Y., Putaux J., Heux L., Dubreuil F., Rochas C. The Shape and Size Distribution of Crystalline Nanoparticles Prepared by Acid Hydrolysis of Native Cellulose // Biomacromolecules. 2008, 9, 57–65]. An expanded raw material base - the prevalence and botanical diversity of plants and other cellulose producers, many of which are cultivated makes it possible to use standard methods for producing NCC particles with crystallinity, morphology, aggregate and thermal stability, and optical and mechanical properties that differ depending on the origin of the polysaccharide [Jonoobi M ., Oladi R., Davoudpour Y., Oksman K., Dufresne A., Hamzeh Y., Davoodi R. Different preparation methods and properties of nanostructured cellulose from various natural resources and residues: a review // Cellulose (2015) 22: 935–969. + Elazzouzi-Hafraoui S., Nishiyama Y., Putaux J., Heux L., Dubreuil F., Rochas C. The Shape and Size Distribution of Crystalline Nanoparticles Prepared by Acid Hydrolysis of Native Cellulose // Biomacromolecules. 2008, 9, 57–65].

Предложены различные методы получения НКЦ, наиболее многочисленная группа которых основывается на применении тех или иных вариантов кислотного гидролиза [RU 2556144, CN 101759807A, US 20100272819A1]. Менее распространены методы радиолиза [RU 2494109], механических и химико-механических воздействий [Liu C., Li B., Haishun D., Lv D., Zhang Y., Yu G., Mu X., Peng H. Properties of nanocellulose isolated from corncob residue using sulfuric acid, formic acid, oxidative and mechanical methods //Carbohydrate Polymers 151 (2016) 716–724], использования флюидов в сверхкритическом состоянии [Novo L. P., Bras J., García A., Belgacem N., Curvelo A. A. S. Subcritical water: a method for green production of cellulose nanocrystals // ACS Sustainable Chem. Eng. 2015. № 3 Vol. 11. P. 2839–2846]. Various methods have been proposed for the preparation of NCC, the most numerous group of which is based on the use of various types of acid hydrolysis [RU 2556144, CN 101759807A, US 20100272819A1]. Less common are the methods of radiolysis [RU 2494109], mechanical and chemical-mechanical effects [Liu C., Li B., Haishun D., Lv D., Zhang Y., Yu G., Mu X., Peng H. Properties of nanocellulose isolated from corncob residue using sulfuric acid, formic acid, oxidative and mechanical methods // Carbohydrate Polymers 151 (2016) 716–724], supercritical fluid use [Novo LP, Bras J., García A., Belgacem N., Curvelo AAS Subcritical water: a method for green production of cellulose nanocrystals // ACS Sustainable Chem. Eng. 2015. No. 3 Vol. 11. P. 2839–2846].

Недостатками использования минеральных кислот, таких как серная и соляная, является образование больших количеств отходов, сложность их регенерирования или утилизации. Кроме того, наиболее распространённые методы с использованием серной кислоты приводят к зачастую нежелательной функционализации поверхности частиц НКЦ серусодержащими группами.The disadvantages of using mineral acids, such as sulfuric and hydrochloric, are the formation of large amounts of waste, the complexity of their regeneration or disposal. In addition, the most common methods using sulfuric acid lead to the often undesirable functionalization of the surface of NCC particles with sulfur-containing groups.

В последнее время возрос интерес к использованию гетерополикислот (ГПК) в качестве катализаторов деструкции целлюлозы. Это вызвано отличительными физико-химическими свойствами ГПК, разнообразием соединений этого класса. Возможностью получения НКЦ по элементному составу более близкому к природной целлюлозе. Значение функции кислотности Гаммета (H0) для растворов ГПК превышает величины, характерные для минеральных кислот, например, H2SO4. ГПК являются весьма прочными, термически устойчивыми соединениями, обладающими высокой растворимостью в кислородсодержащих растворителях.Recently, there has been growing interest in the use of heteropolyacids (HPA) as catalysts for the destruction of cellulose. This is due to the distinctive physicochemical properties of HPA, a variety of compounds of this class. The possibility of obtaining NCC by elemental composition closer to natural cellulose. The value of Hammett's acidity function (H 0 ) for HPA solutions exceeds the values characteristic of mineral acids, for example, H 2 SO 4 . HPA are very strong, thermally stable compounds with high solubility in oxygen-containing solvents.

Известен способ получения НКЦ методом гидролиза целлюлозы в растворе фосфорновольфрамовой кислоты (H3PW12O40, ФВК) [Liu Y., Wang H., Yu G., Yu Q., Li B., Mua X. A novel approach for the preparation of nanocrystalline cellulose by using phosphotungstic acid // Carbohydrate polymers. – 2014. - Vol. 110. - № . - P. 415–422]. В результате получены частицы длиной 100-200 нм и устойчивые гидрозоли. Авторы работы [Lu Q., Cai Z., Lin F., Tang L., Wang S., Huang B. Extraction of Cellulose Nanocrystals with a High Yield of 88% by Simultaneous Mechanochemical Activation and Phosphotungstic Acid Hydrolysis // ACS Sustainable Chem. Eng. – 2016. – Vol. 4. - № 4. – P. 2165–2172] предложили способ получения наноразмерных частиц целлюлозы методом механохимического воздействия, ключевая стадия которого состоит в обработке смеси целлюлозы с фосфорновольфрамовой кислотой (ФВК) в шаровой мельнице. По этому методу выделены частицы с длинной (для трёх основных фракций) 200-280 нм и толщиной 30-45 нм. Использование ФВК в комбинации с ультразвуком для получения НКЦ в водной среде описано в работе [Bee S. A. H., Zain S. K., Das R., Centi G. Synergic effect of tungstophosphoric acid and sonication for rapid synthesis of crystalline nanocellulose // Carbohydrate Polymers 138 (2016) 349–355.]. В качестве исходного материала во всех примерах использовали порошковую целлюлозу (ПЦ). Недостатками этих способов является использование больших мольных избытков ФВК (десяти-стократные избытки относительно ангидроглюкозной единицы целлюлозы), а также длительное протекание процесса гидролиза (до 30 ч), получение частиц толщиной не менее 20 нм.A known method of producing NCC by hydrolysis of cellulose in a solution of phosphoric tungsten acid (H 3 PW 12 O 40 , FVC) [Liu Y., Wang H., Yu G., Yu Q., Li B., Mua X. A novel approach for the preparation of nanocrystalline cellulose by using phosphotungstic acid // Carbohydrate polymers. - 2014 .-- Vol. 110. - No. - P. 415-422]. As a result, particles with a length of 100-200 nm and stable hydrosols were obtained. Authors [Lu Q., Cai Z., Lin F., Tang L., Wang S., Huang B. Extraction of Cellulose Nanocrystals with a High Yield of 88% by Simultaneous Mechanochemical Activation and Phosphotungstic Acid Hydrolysis // ACS Sustainable Chem . Eng. - 2016. - Vol. 4. - No. 4. - P. 2165–2172] proposed a method for producing nanosized cellulose particles by mechanochemical treatment, the key stage of which is to process a mixture of cellulose with tungsten phosphoric acid (FVK) in a ball mill. By this method, particles with a length (for three main fractions) of 200-280 nm and a thickness of 30-45 nm were selected. The use of PVA in combination with ultrasound to obtain NCC in an aqueous medium is described in [Bee SAH, Zain SK, Das R., Centi G. Synergic effect of tungstophosphoric acid and sonication for rapid synthesis of crystalline nanocellulose // Carbohydrate Polymers 138 (2016) 349–355.]. Powder cellulose (PC) was used as the starting material in all examples. The disadvantages of these methods are the use of large molar excesses of FFA (ten-hundredth excess relative to the anhydroglucose unit of cellulose), as well as the long course of the hydrolysis process (up to 30 hours), obtaining particles with a thickness of at least 20 nm.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения нанокристаллической целлюлозы RU 2620429, который осуществляется путем регулируемой деструкции целлюлозного сырья в смеси ФВК (5-8 мольных % относительно ангидроглюкозной единицы целлюлозы) уксусной кислоты и перекиси водорода, с первоначальной концентрацией перекиси водорода 1-2%. Продукт выделяют в виде водной дисперсии НКЦ с размерами частиц 100-300 нм, толщиной 20-35 нм, и с индексом кристалличности около 0,9. В качестве исходного целлюлозного сырья используют порошковые целлюлозы, полученные на основе растительного материала различного ботанического происхождения. Closest to the invention in technical essence is a method for producing nanocrystalline cellulose RU 2620429, which is carried out by controlled destruction of cellulose raw materials in a mixture of FVC (5-8 mol% relative to the anhydroglucose unit of cellulose) acetic acid and hydrogen peroxide, with an initial concentration of hydrogen peroxide 1-2 % The product is isolated in the form of an aqueous NCC dispersion with particle sizes of 100-300 nm, a thickness of 20-35 nm, and with a crystallinity index of about 0.9. As the source of cellulosic raw materials use pulp powder, obtained on the basis of plant material of various botanical origin.

Задачей изобретения является разработка улучшенного способа получения НКЦ из различных видов целлюлоз, с меньшим расходом реагентов и сокращённой продолжительностью процесса деструкции. В этом и состоит технический результат.The objective of the invention is to develop an improved method for producing NCC from various types of celluloses, with a lower consumption of reagents and a shorter duration of the destruction process. This is the technical result.

Технический результат достигается тем, что способ получения нанокристаллических частиц целлюлозы каталитическим сольволизом в органической среде в виде водной дисперсии, включающий регулируемую деструкцию порошковой целлюлозы, полученной из древесины хвойных или лиственных пород, или льна или хлопка, выделение, очистку целевого продукта, согласно изобретению, деструкцию осуществляют каталитическим сольволизом целлюлозного сырья в смеси уксусной кислоты, октанола-1 и фосфорновольфрамовой кислоты, при этом фосфорновольфрамовую кислоту берут в количестве 0,2-0,3 % мольных относительно ангидроглюкозной единицы целлюлозы, соотношение уксусная кислота/октанол-1 составляет 10:1 объемных частей, процесс деструкции целлюлозы осуществляют при температуре кипения полученной смеси в течение 40 мин, при этом прибавляя каждые 5 мин раствор перекиси водорода в количестве 0,05 % от объема жидкости в системе. Кроме того деструкцию целлюлозы ведут при температуре 1150С; целевой продукт получают с длигой стержнеобразных частиц 150-400 нм и толщиной от 6,2 до 9,6 нм с индексом кристалличности выше 0,7.The technical result is achieved by the fact that the method of producing nanocrystalline cellulose particles by catalytic solvolysis in an organic medium in the form of an aqueous dispersion, including controlled degradation of powdered cellulose obtained from coniferous or deciduous wood, or flax or cotton, isolation, purification of the target product, according to the invention, destruction carry out catalytic solvolysis of cellulosic raw materials in a mixture of acetic acid, octanol-1 and phosphoric tungsten acid, while phosphoric tungsten acid they take 0.2-0.3% mole relative to the anhydroglucose unit of cellulose, the ratio of acetic acid / octanol-1 is 10: 1 volume parts, the process of cellulose destruction is carried out at the boiling temperature of the mixture for 40 minutes, while adding each 5 min. A solution of hydrogen peroxide in an amount of 0.05% of the volume of liquid in the system. In addition, the destruction of cellulose is carried out at a temperature of 115 0 C; the target product is obtained with a rod-like particle length of 150-400 nm and a thickness of 6.2 to 9.6 nm with a crystallinity index above 0.7.

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

1. Регулируемая деструкция (сольволиз целлюлозы в органической среде). 1. Regulated destruction (solvolysis of cellulose in an organic medium).

Исходный целлюлозный материал, уксусную кислоту, октанол-1 и катализатор (ФВК) помещают в реактор, снабженный мешалкой, термометром и нагревателем, осуществляя процесс сольволиза при температуре 115°С в течение 40 мин, с регулярным добавлением перекиси водорода.The source cellulosic material, acetic acid, octanol-1 and the catalyst (FVC) are placed in a reactor equipped with a stirrer, thermometer and heater, carrying out the solvolysis process at a temperature of 115 ° C for 40 min, with regular addition of hydrogen peroxide.

Жидкостной модуль для уксусной кислоты составляет 8-12 (предпочтительно 10). Соотношение уксусная кислота/октанол-1 составляет 10:1 (по объему). ФВК берут в количестве 0,2-0,3 % мольных относительно ангидроглюкозной единицы целлюлозы. The fluid module for acetic acid is 8-12 (preferably 10). The ratio of acetic acid / octanol-1 is 10: 1 (by volume). FVK take in an amount of 0.2-0.3% molar relative to the anhydroglucose unit of cellulose.

2. Очистка и получение водной дисперсии НКЦ. 2. Cleaning and obtaining an aqueous dispersion of NCC.

Отделяют осадок из полученной по окончании процесса сольволиза реакционной смеси, диспергируют его в этаноле или изопропиловом спирте и центрифугируют, повторяя этот процесс дважды. Полученную суспензию обрабатывают водным раствором NaOH и очищают методом диализа либо многократного центрифугирования, либо (предпочтительно) сочетанием этих методов. Получают устойчивую водную дисперсию, содержащую, в зависимости от вида исходной целлюлозы, стержнеобразные частицы НКЦ длинной от 150 до 400 нм и толщиной от 6,2 до 9,6 нм.The precipitate is separated from the reaction mixture obtained at the end of the solvolysis process, dispersed in ethanol or isopropyl alcohol and centrifuged, repeating this process twice. The resulting suspension is treated with an aqueous solution of NaOH and purified by dialysis or by multiple centrifugation, or (preferably) a combination of these methods. A stable aqueous dispersion is obtained containing, depending on the type of source cellulose, NCC rod-shaped particles with a length of 150 to 400 nm and a thickness of 6.2 to 9.6 nm.

Используемые в предлагаемом способе основные материалы и реактивы: ледяная уксусная кислота, фосфорновольфрамовая кислота (H3PW12O40), октиловый спирт, перекись водорода (предпочтительно концентрацией 20-30 %); порошковые целлюлозы, полученные на основе хлопкового и льняного волокна или целлюлозы, выделенной из различных хвойной и лиственной пород древесины. Средняя степень полимеризации ПЦ 150-300.The main materials and reagents used in the proposed method: glacial acetic acid, phosphoric tungsten acid (H 3 PW 12 O 40 ), octyl alcohol, hydrogen peroxide (preferably a concentration of 20-30%); powdered cellulose based on cotton and flax fiber or cellulose isolated from various coniferous and deciduous woods. The average degree of polymerization of the PC 150-300.

Предлагаемый способ характеризуется совокупностью признаков, улучшающих технических результат, по сравнению с известными способами:The proposed method is characterized by a combination of features that improve the technical result, compared with known methods:

1. Сниженными затратами за счёт уменьшения продолжительности основных процессов.1. Reduced costs by reducing the duration of the main processes.

2. Продолжительность процесса регулируемой деструкции целлюлозы снижается до 40 мин, что в 4-5 раз меньше, чем в известном способе.2. The duration of the process of controlled destruction of cellulose is reduced to 40 minutes, which is 4-5 times less than in the known method.

3. Способ включает простые, масштабируемые технологические операции.3. The method includes simple, scalable manufacturing operations.

4. Используются доступные реагенты. 4. Available reagents are used.

5. Минимизируется использование фосфорновольфрамовой кислоты - по сравнению с наиболее близкими аналогами предлагаемого способа: расход ФВК уменьшается в 20 и более раз, до 0,2-0,3 мольных % относительно ангидроглюкозной единицы целлюлозы.5. The use of phosphoric tungsten acid is minimized - compared with the closest analogues of the proposed method: the consumption of PVA decreases by 20 or more times, to 0.2-0.3 mol% relative to the anhydroglucose unit of cellulose.

6. Уменьшается расход воды и перекиси водорода.6. The consumption of water and hydrogen peroxide is reduced.

7. Получаемые частицы НКЦ обладают толщиной не более 12 нм, что обеспечивает качественное изменение свойств материала.7. The resulting NCC particles have a thickness of not more than 12 nm, which ensures a qualitative change in the properties of the material.

При осуществлении способа исключается использование больших объёмов минеральных кислот на единицу получаемого продукта. Используемая в качестве катализатора деструкции ФВК и применяемая в качестве растворителя уксусная кислота регенерируются и возвращаются в технологический цикл. When implementing the method excludes the use of large volumes of mineral acids per unit of the resulting product. FVK used as a catalyst for destruction and acetic acid used as a solvent are regenerated and returned to the technological cycle.

Способ эффективен и прост в исполнении, включает две основных стадии, не требует узкоспециализированного оборудования, больших энергетических и сырьевых затрат, дорогостоящих реагентов, источников ионизирующего излучения, работы под давлением либо в вакууме. Пригоден для получения наночастиц на основе различных видов целлюлоз.The method is efficient and simple to implement, includes two main stages, does not require highly specialized equipment, high energy and raw materials costs, expensive reagents, sources of ionizing radiation, work under pressure or in vacuum. Suitable for producing nanoparticles based on various types of celluloses.

Анализ известного технического уровня не выявил технических решений с совокупностью признаков по реализации вышеописанного результата, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критериям «новизна», «изобретательский уровень».Analysis of the known technical level did not reveal technical solutions with a set of features for the implementation of the above result, which indicates the compliance of the claimed technical solution with the criteria of "novelty", "inventive step".

Сущность предлагаемых решений и возможность их осуществления подтверждается примерами. Приведённые примеры дополнительно поясняется рисунком 1, на котором приведено изображения частиц НКЦ, полученных на основе различного типа целлюлоз и таблицей, с характеристиками полученных в результате реализации настоящего изобретения продуктов.The essence of the proposed solutions and the possibility of their implementation is confirmed by examples. The examples given are further illustrated in Figure 1, which shows the images of NCC particles obtained on the basis of various types of celluloses and a table with the characteristics of the products obtained as a result of the implementation of the present invention.

На рисунке 1: АСМ-микрофотографии частиц НКЦ, полученных по предлагаемому способу в системе уксусная кислота/октанол-1/ФВК.Figure 1: AFM micrographs of NCC particles obtained by the proposed method in the system of acetic acid / octanol-1 / FVK.

Пример 1Example 1

Порошковую целлюлозу, полученную на основе хлопковой целлюлозы, помещали в реактор, снабженный нагревательной рубашкой, перемешивающим устройством, обратным холодильником и прибором контроля температуры. Вносили уксусную кислоту (жидкостной модуль 10), октанол-1 (1.0 объем на 10 объёмов уксусной кислоты) и ФВК. Содержание ФВК относительно ангидроглюкозной единицы целлюлозы 0,20 % мольн.Cotton cellulose powder pulp was placed in a reactor equipped with a heating jacket, a stirrer, a reflux condenser and a temperature control device. Acetic acid (liquid module 10), octanol-1 (1.0 volume per 10 volumes of acetic acid), and FVC were added. The content of PVA relative to the anhydroglucose unit of cellulose is 0.20% mole.

Процесс деструкции целлюлозы осуществляли при температуре кипения полученной смеси (115С) в течение 40 мин, каждые 5 мин. прибавляя раствор перекиси водорода в количестве 0,05 % от объема жидкости в системе.The process of cellulose destruction was carried out at the boiling temperature of the resulting mixture (115 ° C) for 40 minutes, every 5 minutes. adding a solution of hydrogen peroxide in an amount of 0.05% of the volume of liquid in the system.

По окончании реакционную смесь охлаждали. Осадок отделяли на центрифуге, диспергировали в этиловом спирте (операцию повторяли дважды). Полученный целлюлозный материал переносили в раствор NaOH с концентрацией 0,5 моль/л выдерживали 4 ч, после чего повторно центрифугировали (4000 об/с × 30 мин). Полученный осадок диспергировали в дистиллированной воде и дополнительно очищали методом диализа против дистиллированной воды в мембранах с размером пор 12-14 кДа. Получали устойчивую дисперсию, содержащую стержнеобразные частицы НКЦ с длинной 150 нм и толщиной 8,7 нм. At the end, the reaction mixture was cooled. The precipitate was separated in a centrifuge, dispersed in ethanol (the operation was repeated twice). The resulting cellulosic material was transferred to a 0.5 mol / L NaOH solution, held for 4 hours, and then centrifuged again (4000 rpm × 30 min). The resulting precipitate was dispersed in distilled water and further purified by dialysis against distilled water in membranes with a pore size of 12-14 kDa. A stable dispersion was obtained containing rod-shaped NCC particles with a length of 150 nm and a thickness of 8.7 nm.

Пример 2 Example 2

Проводят аналогично примеру 1, но с общим содержанием фосфорновольфрамовой кислоты относительно целлюлозы 0,30 % мольн. Carried out analogously to example 1, but with a total content of phosphoric tungsten acid relative to cellulose 0.30% mole.

Пример 3Example 3

Проводят аналогично примеру 1, с использованием в качестве исходного материала порошковой целлюлозы, полученной на основе льняной целлюлозы. Carried out analogously to example 1, using as starting material a powder of cellulose obtained on the basis of flax pulp.

Пример 4Example 4

Проводят аналогично примеру 2, с использованием в качестве исходного материала порошковой целлюлозы, полученной на основе льняной целлюлозыCarried out analogously to example 2, using as starting material powdered cellulose obtained on the basis of flax pulp

Пример 5Example 5

Проводят аналогично примеру 1, с использованием в качестве исходного материала порошковой целлюлозы, полученной на основе хвойной беленой целлюлозы. Carried out analogously to example 1, using as starting material a powder of cellulose obtained on the basis of soft bleached pulp.

Пример 6Example 6

Проводят аналогично примеру 2, с использованием в качестве исходного материала порошковой целлюлозы, полученной на основе хвойной беленой целлюлозы. Carried out analogously to example 2, using as starting material a powder of cellulose obtained on the basis of soft bleached pulp.

Пример 7Example 7

Проводят аналогично примеру 1, с использованием в качестве исходного материала порошковой целлюлозы, полученной на основе лиственной беленой целлюлозы. Carried out analogously to example 1, using as starting material a powder of cellulose obtained on the basis of hardwood bleached pulp.

Пример 8Example 8

Проводят аналогично примеру 2, с использованием в качестве исходного материала порошковой целлюлозы, полученной на основе лиственной беленой целлюлозы. Carried out analogously to example 2, using as starting material a powder of cellulose obtained on the basis of hardwood bleached pulp.

Таким образом, изобретение позволяет получать стержнеобразные частицы целлюлозы длинной от 150 до 400 нм и толщиной от 6,2 до 9,6 нм в зависимости от вида исходной целлюлозы (хлопковая, льняная, целлюлоза лиственных или хвойных пород древесины), с индексом кристалличности частиц выше 0,7 на основе порошковых целлюлоз, полученных из различного растительного материала: древесины хвойных и лиственных пород, льна и хлопка. Заявленный способ характеризуется низким расходом катализатора и сниженной продолжительностью процесса регулируемой деструкции (сольволиза).Thus, the invention allows to obtain rod-shaped cellulose particles with a length of 150 to 400 nm and a thickness of 6.2 to 9.6 nm, depending on the type of source cellulose (cotton, linen, cellulose of hardwood or coniferous wood), with a crystallinity index of particles above 0.7 based on powdered cellulose obtained from various plant materials: coniferous and deciduous wood, flax and cotton. The claimed method is characterized by a low consumption of catalyst and a reduced duration of the process of controlled destruction (solvolysis).

Таблица Table

Характеристики частиц НКЦ, полученных по предлагаемому способу в системе уксусная кислота/октанол-1/ФВКCharacteristics of NCC particles obtained by the proposed method in the system of acetic acid / octanol-1 / FVK

ПримерExample длина
частицы, нм
length
particles, nm
Наибольшая
толщина, нм
The largest
thickness nm
Индекс
Кристалличности
(по Сегалу)
Index
Crystallinity
(according to Segal)
Выход
относительно
исходной целлюлозы, %
Exit
regarding
source pulp,%
1one 150150 8.7±1.08.7 ± 1.0 0,820.82 34±534 ± 5 22 400400 7.3±0.67.3 ± 0.6 0,770.77 30±430 ± 4 33 258258 6.2±0.26.2 ± 0.2 0,800.80 33±333 ± 3 4four 249249 9.6±1.29.6 ± 1.2 0,720.72 31±531 ± 5 55 167167 8.3±0.98.3 ± 0.9 0,830.83 33±633 ± 6 66 390390 7.2±0.77.2 ± 0.7 0,760.76 29±529 ± 5 77 244244 6.2±0.46.2 ± 0.4 0,790.79 30±330 ± 3 88 230230 9.3±0.89.3 ± 0.8 0,740.74 30±430 ± 4

Claims (3)

1. Способ получения нанокристаллических частиц целлюлозы каталитическим сольволизом в органической среде в виде водной дисперсии, включающий регулируемую деструкцию порошковой целлюлозы, полученной из древесины хвойных или лиственных пород, или льна, или хлопка, выделение, очистку целевого продукта, отличающийся тем, что деструкцию осуществляют каталитическим сольволизом целлюлозного сырья в смеси уксусной кислоты, октанола-1 и фосфорновольфрамовой кислоты, при этом фосфорновольфрамовую кислоту берут в количестве 0,2-0,3% мольных относительно ангидроглюкозной единицы целлюлозы, соотношение уксусная кислота/октанол-1 составляет 10:1 объемных частей, процесс деструкции целлюлозы осуществляют при температуре кипения полученной смеси в течение 40 мин, при этом прибавляя каждые 5 мин раствор перекиси водорода в количестве 0,05% от объема жидкости в системе.1. The method of producing nanocrystalline cellulose particles by catalytic solvolysis in an organic medium in the form of an aqueous dispersion, comprising controlled degradation of powdered cellulose obtained from coniferous or deciduous wood, or flax, or cotton, isolation, purification of the target product, characterized in that the destruction is carried out by catalytic by solvolysis of cellulosic raw materials in a mixture of acetic acid, octanol-1 and phosphoric tungsten acid, while phosphoric tungsten acid is taken in an amount of 0.2-0.3% molar cellulose anhydroglucose unit, the ratio of acetic acid / octanol-1 is 10: 1 volume parts, the process of cellulose degradation is carried out at the boiling temperature of the mixture for 40 minutes, while adding every 5 minutes a solution of hydrogen peroxide in the amount of 0.05% of volume fluid in the system. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что деструкцию целлюлозы ведут при температуре 115°С.2. The method according to p. 1, characterized in that the destruction of cellulose is carried out at a temperature of 115 ° C. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что целевой продукт получают с длиной стержнеобразных частиц от 150 нм до 400 нм и толщиной от 6,2 нм до 9,6 нм с индексом кристалличности выше 0,7.3. The method according to p. 1, characterized in that the target product is obtained with a length of rod-shaped particles from 150 nm to 400 nm and a thickness of from 6.2 nm to 9.6 nm with a crystallinity index above 0.7.
RU2018109715A 2018-03-20 2018-03-20 Method for production of nanocrystalline particles of cellulose by catalytic solvolysis in an organic medium RU2682625C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018109715A RU2682625C1 (en) 2018-03-20 2018-03-20 Method for production of nanocrystalline particles of cellulose by catalytic solvolysis in an organic medium

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018109715A RU2682625C1 (en) 2018-03-20 2018-03-20 Method for production of nanocrystalline particles of cellulose by catalytic solvolysis in an organic medium

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2682625C1 true RU2682625C1 (en) 2019-03-19

Family

ID=65806109

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018109715A RU2682625C1 (en) 2018-03-20 2018-03-20 Method for production of nanocrystalline particles of cellulose by catalytic solvolysis in an organic medium

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2682625C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2203995C1 (en) * 2002-07-09 2003-05-10 Институт химии и химической технологии СО РАН Method for producing microcrystalline cellulose
WO2012092440A1 (en) * 2010-12-30 2012-07-05 Virent, Inc. Solvolysis of biomass using solvent from a bioreforming process
RU2620429C1 (en) * 2016-05-05 2017-05-25 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук Method of producing water dispersion of nanocrystalline cellulose

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2203995C1 (en) * 2002-07-09 2003-05-10 Институт химии и химической технологии СО РАН Method for producing microcrystalline cellulose
WO2012092440A1 (en) * 2010-12-30 2012-07-05 Virent, Inc. Solvolysis of biomass using solvent from a bioreforming process
RU2620429C1 (en) * 2016-05-05 2017-05-25 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Химии Коми Научного Центра Уральского Отделения Российской Академии Наук Method of producing water dispersion of nanocrystalline cellulose

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Trache et al. Microcrystalline cellulose: Isolation, characterization and bio-composites application—A review
Li et al. Recyclable deep eutectic solvent for the production of cationic nanocelluloses
Hazwan Hussin et al. Extraction of cellulose nanofibers and their eco-friendly polymer composites
Rebouillat et al. State of the art manufacturing and engineering of nanocellulose: a review of available data and industrial applications
He et al. Citric acid as green modifier for tuned hydrophilicity of surface modified cellulose and lignin nanoparticles
Soni et al. Chemical isolation and characterization of different cellulose nanofibers from cotton stalks
Sirvio et al. Composite films of poly (vinyl alcohol) and bifunctional cross-linking cellulose nanocrystals
Novo et al. A study of the production of cellulose nanocrystals through subcritical water hydrolysis
Pan et al. Cellulose nanowhiskers isolation and properties from acid hydrolysis combined with high pressure homogenization
Goh et al. Individualization of microfibrillated celluloses from oil palm empty fruit bunch: comparative studies between acid hydrolysis and ammonium persulfate oxidation
Bilatto et al. Lignocellulose nanocrystals from sugarcane straw
Frost et al. Isolation of thermally stable cellulose nanocrystals from spent coffee grounds via phosphoric acid hydrolysis
Barbash et al. Effect of hydrolysis conditions of organosolv pulp from kenaf fibers on the physicochemical properties of the obtained nanocellulose
Abd Hamid et al. Catalytic isolation and physicochemical properties of nanocrystalline cellulose (NCC) using HCl-FeCl3 system combined with ultrasonication
RU2620429C1 (en) Method of producing water dispersion of nanocrystalline cellulose
Nguyen et al. Nanocellulose from pineapple leaf and its applications towards high-value engineering materials
Long et al. Preparation of formyl cellulose and its enhancement effect on the mechanical and barrier properties of polylactic acid films
RU2682625C1 (en) Method for production of nanocrystalline particles of cellulose by catalytic solvolysis in an organic medium
Hao et al. Top-down production of sustainable and scalable hemicellulose nanocrystals
JP2013203920A (en) Method of preparing cellulose fiber fluid dispersion, cellulose fiber fluid dispersion and composite composition
Paakkonen et al. Sustainable high yield route to cellulose nanocrystals from bacterial cellulose
JP6213961B2 (en) Method for producing fine cellulose fiber dispersion, method for producing fine cellulose fiber, and method for finely dispersing dried oxidized cellulose fiber
RU2689753C1 (en) Nanocrystal, nanocrystal cellulose hydrosol and method for production thereof
Biao et al. Preparation of nanocellulose with cation–exchange resin catalysed hydrolysis
Piña‐Acosta et al. Hydrogels of poly (2‐hydroxyethyl methacrylate) reinforced with nanocrystalline cellulose as candidates for biomaterials