ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИИ В ФОРМЕ ВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ И ВЫСУШЕННОГО ПОРОШКА И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
Область техники
Изобретение относится к получению продуктов, содержащих моди- фицированные компоненты растительного сырья, которые могут найти применение в деревообрабатывающей промышленности, строительстве, при бурении скважин, бумажной промышленности и других отраслях промышленности.
Изобретение касается получения методом жидкофазной окислитель- ной модификации растительного сырья вязкотекучих стабильных водных полимерных дисперсий, которые могут быть высушены с получением порошка водорастворимого полимера.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время широко используется многостадийный энергоемкий процесс получения технических продуктов из растительного сырья, включающий стадии предварительного выделения его отдельных компонентов (крахмала, целлюлозы, жиров, лигнинов) и стадии после- дующего модифицирования выделенного компонента для получения химических реагентов с заданными свойствами. Так, известен способ получения из растительного сырья натриевой соли карбоксиметилцел- люлозы, включающий стадии выделения из древесины целлюлозы, по-
лучения щелочной целлюлозы и монохлоруксусной кислоты, этерифи- кации целлюлозы монохлоруксусной кислотой и высушивания. Известный способ характеризуется не только многостадийностью, но и использованием высокотоксичных соединений, в том числе хлора на стадии производства монохлоруксусной кислоты. Известно, что, несмотря на большое разнообразие имеющихся видов натуральных крахмалов, их свойства не всегда удовлетворяют требованиям потребителя, что обуславливает спрос на различные модифицированные крахмалы, раскрытые, например, в Моdifiеd Stаrсhеs: Рrореr- tiеs апd Usеs, Ed. Wurzburg, CRC Рrеss, Inc.,Florida, а также в заявках на патент WO 02/074814, WO 02/077035, WO 00/75192.
В патенте US, 3975206, кл. С 08 В 31/18 раскрыт способ получения модифицированных крахмалов окислением последних пероксидом водорода при показателе среды рН = 4-5, в результате чего образуются водорастворимые крахмалы. Известен также способ получения окис- ленного крахмала одновременной обработкой исходного крахмала в виде взвеси двумя окислителями одновременно: гипогалогенидом щелочного металла и кислородом в щелочной среде при рН 9-12 (Sсаllеt R.L., Sоwеll Е.А. Stаrсh Сhеmistrу апd Тесhпоlоgу. V.2, Iпdustriаl As- ресts, Еds. R.L., 1967. 237 р.). Известны также способы окисления су- хого или влажного крахмала озоном (WO 97/32902, кл. С 08 В 31/18 Меthоd fоr охidiziпg drу stаrсh usiпg оzопе) или гипохлоритом натрия (Капtоuсh F., Таwfik S. Stаrсh. 1998. N 2-3. P. 114-119).
В патенте EP 0 548 399, кл. C08B 31/18 раскрыт способ получения кислот из углеводов методом каталитической модификации полисаха- ридов молекулярным кислородом. Известный способ предполагает предварительную стадию извлечения из растительного сырья полисахарида. Серьезным ограничением известного способа каталитического
окисления углеводов молекулярным кислородом является не только высокая себестоимость полисахарида (крахмала, декстринов) в условиях промышленного производства, но и неполное использование всех компонент растительного сырья. Кроме того, получаемый известным способом продукт представляет собой гетерогенный раствор, не обладаю- щий вязкотекучими свойствами.
Раскрытие изобретения
В рамках данной заявки решается задача разработки такого способа окислительной модификации растительного сырья, который позволил бы получать из растительного сырья в одну стадию экологически чистые дешевые химические реагенты, содержащие как продукты модификации полисахаридов, так и всех остальных компонентов растительного сырья. Имеется потребность в получении реагентов, обладающих вязко- текучими свойствами и пригодных для использования в различных областях техники. Имеется также потребность в снижении длительности процесса окислительной модификации растительного сырья и повышении его стабильности.
Поставленная задача решается тем, что в полимерной композиции в форме стабильной водной суспензии, содержащей растворимый в воде компонент на основе карбоксилсодержащих производных углеводов, низкомолекулярных жирных кислот, низкозамещенных простых эфиров целлюлозы и солей щелочного металла карбоксицеллюлозы, водонерас- творимый компонент на основе полизамещенных эфиров целлюлозы и частично гидролизованного белка, и водную среду, массовое отношение растворимого и нерастворимого компонент составляет величину из диапазона (73,5-92, 5):(6, 5-21, 5), соответственно, а общее содержание
твердых частиц в суспензии составляет 10-50 вес. % от массы суспензии, кроме того указанная суспензия проявляет вязкотекучие свойства.
Предпочтительно, что продукт окислительной модификации растительного сырья имеет вязкость из диапазона 100 - 6000 сантипуаз при температуре 2O0C. Поставленная задача достигается также тем, что в полимерной композиции в виде высушенного порошка, содержащего растворимый в воде компонент на основе карбоксилсодержащих производных углеводов, низкомолекулярных жирных кислот, низкозамещенных простых эфиров целлюлозы и солей щелочного металла карбоксицеллюлозы, и водонерастворимый компонент на основе полизамещенных эфиров целлюлозы и частично гидролизованного белка, массовое отношение растворимого и нерастворимого компонент составляет величину из диапазона (73,5-92,5):(6,5-21,5), соответственно.
Поставленная задача достигается тем, что в способе получения по- лимерной композиции в форме стабильной водной суспензии проводят жидкофазную окислительную обработку растительного сырья в щелочной среде в присутствии водного раствора соли двухвалентной меди при температуре из диапазона 50-800C в условиях аэрирования и перемешивания, так что щелочь вводят в реакционную смесь в два этапа, сначала в количестве 5-10 вec.% по отношению к весу растительного сырья, а затем в количестве 0,5-2 вec.% по отношению к весу растительного сырья через 1-1,5 часа после введения первой порции с получением суспензии, содержащей растворимый в воде компонент на основе карбоксилсодержащих производных углеводов, низкомолекуляр- ных жирных кислот, низкозамещенных простых эфиров целлюлозы и солей щелочного металла карбоксицеллюлозы, водонерастворимый компонент на основе полизамещенных эфиров целлюлозы и частично
гидролизованного белка, и водную среду, при массовом отношении растворимого и нерастворимого компонент из диапазона (73,5-92,5):(6,5- 21,5), соответственно.
Предпочтительно проводить жидкофазную обработку растительного сырья до достижения вязкости суспензии из диапазона 100-6000 сан- типуаз при температуре 2O0C.
Поставленная задача достигается тем, что в способе получения полимерной композиции в форме высушенного порошка предварительно приготавливают водную суспензию путем жидкофазной окислительной обработки растительного сырья в щелочной среде в присутствии вод- ного раствора соли двухвалентной меди при температуре из диапазона 50-800C в условиях аэрирования и перемешивания, так что щелочь вводят в реакционную смесь в два этапа, сначала в количестве 5-10 вec.% по отношению весу растительного сырья, а затем в количестве 0,5-2 вec.% по отношению к весу растительного сырья через 1-1,5 часа после введения первой порции с получением суспензии, содержащей растворимый в воде компонент на основе карбоксилсодержащих производных углеводов, низкомолекулярных жирных кислот, низкозамещенных простых эфиров целлюлозы и солей щелочного металла карбоксицеллю- лозы, водонерастворимый компонент на основе полизамещенных эфи- ров целлюлозы и частично гидролизованного белка, и водную среду, при массовом отношении растворимого и нерастворимого компонент в суспензии из диапазона (73,5-92,5):(6,5-21,5), соответственно, и проводят последующее высушивание суспензии.
Сущность изобретения состоит в реализации процесса жидкофазного каталитического окисления растительного сырья в водной щелочной среде в присутствии солей двухвалентной меди путем выявления термодинамических и кинетических закономерностей образования поли-
мерных продуктов модификации растительного сырья с использованием всех его компонент. Конечным продуктом окислительной модификации растительного сырья являются вязкотекучие полимерные стабильные водные суспензии, содержащие комплекс модифицированных компонент растительного сырья. В связи с отсутствием строгой теории вязко- сти дисперсионных систем и растворов полимеров указанные выше закономерности образования полимерных продуктов модификации растительного сырья проводили эмперически.
Растительное сырье является инертным по отношению к молекулярному кислороду и практически не окисляется в мягких условиях при использовании традиционных каталитических систем. Однако было установлено, что каталитическая система {растительное сырье + щелочь + комплексы меди} при определенных условиях способна с аномально высокими скоростями катализировать низкотемпературное окисление всех компонент растительного сырья, ряда кетонов, спиртов и полиолов молекулярным кислородом. Получаемый продукт окислительной модификации растительного сырья представляет собой полимерную композицию в форме стабильной водной суспензии, обладающей вязкотеку- чими и свойствами.
Изобретение предусматривает высушенные порошки, способные вновь диспергироваться в воде с образованием стабильной водной суспензии. Порошок может быть получен приготовлением стабильных водных дисперсий согласно изобретению и сушкой дисперсии. Дисперсии могут быть осушены различными средствами, так как имеет место небольшая тенденция к слипанию частиц даже в экстремальных темпе- ратурах. Такие средства сушки включают сушку распылением, сушку на барабане, сушку топочными газами и вакуумную сушку, включая сушку вымораживанием.
В качестве растительного сырья может быть использовано не только кондиционное сырье, но и отходы сельского хозяйства, в том числе отходы, образующиеся при шлифовании риса.
Полисахариды (крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества) являются основными компонентами практически любого растительного сырья, в том числе отходов сельского хозяйства. Было установлено, что крахмал активно окисляется молекулярным кислородом только в присутствии гомогенных катализаторов и щелочей.
Углеводы (поли- и моносахариды), содержащиеся в растительном сырье, как показали исследования, также легко окисляются молекуляр- ным кислородом в присутствии оснований и гомогенных катализаторов с образованием водорастворимых полиоксикарбоновых кислот.
Как известно, кроме полисахаридов в растительном сырье в значительных количествах присутствуют жиры, белки и лигнины. Было установлено, что жиры легко гидролизуются под действием щелочи с обра- зованием глицерина и солей жирных кислот, которые не подвергаются дальнейшим превращениям. В то же время, образующиеся в результате щелочного гидролиза жиров глицерин и соли жирных кислот способны существенно улучшать поверхностно-активные и смазочные свойства водных суспензий модифицированного растительного сырья по сравне- нию, например, с продуктами окисления чистого крахмала.
Изучение каталитического окисления лигнина в щелочной среде показало, что лигнин легко подвергается окислительной модификации в этих условиях с образованием реакционно-способных оксоароматиче- ских и хинонсодержащих соединений. Исследования показали, что белки в присутствии щелочи и катализатора также подвергаются модификации молекулярным кислородом в результате сложных химических превращений. Экспериментально уста-
новлено, что под действием щелочи происходит гидролиз пептидных связей с образованием аминокислот. Кроме того, протекает каталитическое окисление N-H групп белка, что значительно ускоряет деструкцию полипептида. В присутствии окисленного полисахарида N-H группы аминокислот взаимодействуют с карбонильными группами модифици- рованного углевода, при этом существенно меняются физико-химические свойства последнего: увеличивается катионообменная емкость и снижается водоотдача водных суспензий по сравнению с полисахаридом, модифицируемым в отсутствие белков.
Было также установлено, что белок в щелочной среде способен эф- фективно взаимодействовать с катализатором, в итоге вызывая дезактивацию последнего. По этой причине условия получения вязкотекучих химических реагентов, содержащих продукты модификации всех компонент растительного сырья, включая полисахариды, путем проведения процесса модификации растительного сырья, содержащего в больших количествах белок, иные, чем при окислении чистых полисахаридов.
В условиях процесса модификации растительного сырья, отличных от заявленных, происходит гидролиз и окисление белков, и в системе накапливаются активные азотсодержащие производные, вызывающие быструю дезактивацию катализатора. В результате практически не во- влекаются в процесс окисления полисахариды, присутствующие в растительном сырье. Водные суспензии даже после 10-20 часовой обработки остаются высоковязкими, а при охлаждении до комнатной температуры становятся практически нетекучими. Вследствие этого имелась потребность в подборе таких условий модификации растительного сы- рья, содержащего белок, при которых скорость окисления полисахаридов была бы значительно выше скорости гидролиза и окислительной деструкции белка. Такие условия достигаются, прежде всего, введением
в реакционную смесь щелочи в два этапа, эффективным газо- и массо- обменом и проведением процесса модификации растительного сырья при относительно низких температурах (не выше 8O0C).
Было также установлено, что одним из существенных параметров, определяющих свойства получаемых полимерных суспензий модифи- цированного растительного сырья является количество вводимой щелочи. При введении 10 кг щелочи в расчете на 1 тонну зерна образуется высоковязкая, практически нетекучая при комнатных температурах суспензия (при содержании твердых веществ 15-20 вec.%). При введении щелочи в количестве 200-300 кг на 1 тонну зерна при прочих рав- ных условиях можно получить низковязкую суспензию. Однако получение суспензий с вязкостью, близкой к вязкости воды не является предметом данного изобретения, так они не обеспечивают требуемых структурно-механических свойств полимерной композиции.
Оптимальная температура процесса модификации растительного сы- рья составляет 50-750C. Однако при необходимости получения высококонцентрированных суспензий с содержанием твердых веществ более 25 вес. %, процесс модификации при этих температурах может протекать недостаточно эффективно из-за плохого массообмена. В этом случае повышение температуры до 8O0C может существенно интенсифици- ровать реакцию каталитического окисления растительного сырья.
С другой стороны, исследования показали, что проведение процесса при температуре выше 8O0C, как правило, приводит к образованию некондиционного продукта. Это связано с тем, что значительное повышение температуры снижает скорость окисления полисахаридов, и одно- временно резко интенсифицируются процессы некаталитического превращения растительного сырья: карамелизация крахмала, денатурация белков и т.д. Эти процессы сопровождаются дезактивацией катализа-
тора. В результате практически не образуются соли полиоксикислот из крахмала, растворы которых обладают в сотни раз более низкой вязкостью по сравнению с неокисленным крахмалом. По мере растворения зерен крахмала получаемая суспензия загустевает, уменьшается газообмен, что может привести к полной остановке реакции каталитического окисления.
Разработанный способ окислительной модификации растительного сырья позволяет получать водные суспензии с содержанием твердых веществ от 10 до 50 вес. %, при этом удается избежать трудностей, связанных с исключительно высокой вязкостью водных растворов крах- малсодержащего сырья. Растительное сырье в присутствии гидроокисей натрия или калия после непродолжительного перемешивания также дает густую массу при температурах выше 5O0C, которую практически невозможно подвергать окислительной переработке. Однако крахмал, содержащийся в растительном сырье, в присутствии гомогенных катали- заторов - водного раствора солей двухвалентной меди и щелочи с высокой скоростью подвергается каталитическому окислению, при этом происходит разрыв - C-C- связей в положении 2,3 глюкозидных колец с образованием карбоксильных групп. Результатом карбоксилирования крахмала является резкое падение вязкости его водно-щелочных рас- творов. Даже при модификации только 1 % полимерных зерен, т.е. одного из сотен глюкозидных звеньев крахмала, вязкость растворов снижается в тысячи раз.
Данный способ позволяет избежать сложностей работы со сверхвязкими клейстерами. По мере растворения растительного сырья в щелоч- ном растворе происходит постепенное нарастание вязкости раствора. Однако одновременно протекает и процесс карбоксилирования молекул растворившегося крахмала, что резко снижает его вязкость. Таким обра-
зом, в условиях, при которых скорость растворения растительного сырья не превышает скорость окисления крахмала, содержащегося в нем, процесс каталитической модификации растительного сырья можно проводить без резких колебаний вязкости окисляемой массы.
Для обеспечения стабильности процесса окислительной модифика- ции растительного сырья щелочь целесообразно вводить в состав реакционной массы поэтапно путем дробных добавок. Первую порцию щелочи вводят в количестве 5-10 вес. % по отношению к растительному сырью, а вторую порцию щелочи вводят в количестве 0,5-2 вес. % по отношению к растительному сырью. Исследования показали, что наибольшую каталитическую активность в реакции окисления растительного сырья проявляют соединения двухвалентной меди. После растворения в воде солей меди, добавления растительного сырья и последующего введения щелочи в системе образуются смешанные комплексы двухвалентной меди, содержащие в каче- стве макролигандов крахмал в анионной форме и белок. Было также установлено, что активность катализатора практически не зависит от природы применяемых солей меди. В то же время, активность катализатора существенно снижается в присутствии сильных комплексонов, таких как этилен диамин или о-фенантролин. Это происходит вследствие бло- кирования комплексонами координационной сферы иона Cu2+, что исключает возможность образования реакционно-способных комплексонов (Cu2+... А"}, где А" - анионная форма субстрата.
Из полученных стабильных водных суспензий можно выделить сухое вещество с помощью вальцовой сушки, сушки топочными газами или высаливанием ацетоном или спиртом с последующей сушкой на воздухе.
Для лучшего понимания сущности данного изобретения ниже приведены конкретные неограничивающие примеры каталитической модификации растительного сырья в щелочной среде в присутствии соединений меди, конечным продуктом которого является модифицированное растительное сырье в виде полимерной вязкотекучей суспензии.
Лучшие варианты осуществления способа
Пример 1.
Для получения полимерной композиции в форме водной суспензии, представляющей собой продукт окислительной модификации растительного сырья, в термостатированный эмалированный или стальной реактор емкостью 10 л, снабженный механической мешалкой, заливают 6 л горячей воды и загружают 12 г катализатора Cu2SO4 • 5H2O. Раствор перемешивают до полного растворения катализатора. После этого в ре- актор насыпают 1,4 кг пшеничного зерна или муки. Затем включают мешалку и перемешивают реакционную смесь. После достижения температуры 720C при постоянном перемешивании добавляют первую порцию щелочи NaOH в количестве 80 г. Смесь активно перемешивают и одновременно начинают барбатировать кислород или воздух. В про- цессе жидкофазного каталитического окисления растительного сырья поддерживают температуру 70-720C. Показатель среды рН поддерживают равным 10. Через 1 час после подачи первой порции щелочи производят подачу второй порции щелочи в количестве 30 г. Реакционную смесь продолжают активно перемешивать и барбатировать, поддержи- вая температуру на уровне 70-720C. Процесс каталитической модификации растительного сырья идет стабильно, без резких колебаний вязкости реакционной смеси. Процесс обработки сырья проводят в течение 6
часов. В результате образуется полимерная стабильная водная суспензия с вязкостью 500 сантипуаз при температуре 2O0C. Полученная в результате модификации растительного сырья полимерная суспензия, содержащая растворимый в воде компонент на основе карбоксилсодер- жащих производных углеводов, низкомолекулярных жирных кислот, низкозамещенных простых эфиров целлюлозы и солей щелочного металла карбоксилцеллюлозы, может быть использована в качестве реагента для обработки буровых растворов или связующего при производстве древесностружечных плит в композиции с формальдегидными смолами. Массовое соотношение водонерастворимого компонента и водорастворимого компонента составляет 20,8:76,3.
Пример 2.
Способом, аналогичным каталитическому окислению кукурузного зерна по примеру 1, получают полимерную вязкотекучую суспензию, для чего берут следующий расход исходных реагентов: вода - 6л, катализатор Cu2SO4 • 5H2O - 15 г, кукурузное зерно - 1,5 кг, щелочь NaOH: первая порция - 90 г, а вторая порция - 40 г. Показатель среды рН поддерживают равным 10,5.
Время каталитической жидкофазной обработки растительного сырья составляет 5 часов при температуре 72-740C и приводит к получению стабильной водной суспензии с величиной вязкости 750 сантипуаз при температуре 2O0C. Полученная вязкотекучая суспензия обладает высокими поверхностно-активными свойствами и может быть использована в качестве поверхностно-активного вещества в различных отраслях промышленности, например, в горнодобывающей промышленности, в процессах обогащения различных руд полезных ископаемых, а также при производстве картона, бумаги, древесностружечных плит или фане-
ры. Массовое соотношение водонерастворимого и водорастворимого компонентов составляет 11,5:86,8.
Пример 3.
Полимерную композицию в виде вязкотекучей суспензии производят методом каталитического окисления пшена аналогично примеру 1. Расход исходных реагентов: вода - 6 л, катализатор Cu2SO4 • 5H2O - 15 г, пшено- 2,5 кг, первая порция щелочи KOH - 100 г, вторая порция щелочи - 100 г. Показатель среды рН поддерживают равным 10,5. Вторую порцию щелочи вводят через 1,5 часа после введения первой порции щелочи.
Процесс каталитического окисления пшена ведут при температуре 78±2°C. Время обработки составляет 4 часа. Полученная полимерная суспензия имеет вязкость 5000 сантипуаз при температуре 2O0C. Полученную суспензию сушат на вальцовых или распылительных сушилках до порошкообразного состояния. При растворении полученного порошка получают суспензию с теми же свойствами, что и после слива из реактора.
Полученная полимерная суспензия обладает высокими поверхностно-активными свойствами и может быть использована в качестве фло- кулянта или коагулянта для очистки различных жидкостей от взвешенных веществ. Массовое соотношение водонерастворимого и водорастворимого компонентов составляет 18,2:79,7.
Пример 4. Полимерную композицию в виде вязкотекучей суспензии производят методом каталитического окисления рисового зерна аналогично примеру 1, расходуя следующие реагенты: вода - 6 л, катализатор Cu2SO4 •
5H2O - 12 г, пшено 1,5 кг, первая порция щелочи NaOH - 100 г, вторая порция щелочи - 20 г. Показатель среды рН поддерживают равным 10,7. Во время окислительной каталитической обработки рисового зерна температуру поддерживают в пределах 70±2°C. Время обработки составляет 3,5 часа. Проведение процесса окислительной модификации рисового зерна в водной щелочной среде приводит к получению суспензии с вязкостью 250 сантипуаз при температуре 2O0C. Окислительное модифицирование рисового зерна происходит в отсутствие резких колебаний вязкости реакционной массы. Массовое соотношение водо- нерастворимого и водорастворимого компонент составляет 8,1 :89,5. Полученная суспензия обладает высокими клеящими свойствами и может быть использована в качестве клеящего вещества при производстве гофро-картона и различных типов древесных плит.
Сухие стабильные продукты реакции каталитического окисления растительного сырья в виде порошка, полученного высушиванием вод- ных суспензий согласно изобретению, обеспечивают ряд преимуществ. В особенности, порошки способны повторно диспергироваться, если их добавить к воде. Это приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая способность получать и хранить сухой продукт, который позднее может быть удобно снова диспергирован. Сухие, повторно диспер- тирующиеся продукты, снижают стоимость перевозимых материалов, так как в них отсутствует вода. Высушенные порошки удобно транспортировать, и они могут быть снова диспергированы в воде, если нужна водная суспензия. Изобретение дает возможность хранить сухой продукт длительное время, в течение которого он не мог бы сохраняться в форме стабильной жидкой дисперсии. Полученные обработкой растительного сырья полимерные композиции в форме водных суспензий, проявляющих вязкотекучие свойства, или высушенных порошков, об-
ладают фунгицидными свойствами и могут храниться без изменения свойств в течение года.
Промышленная применимость
Изобретение может быть использовано при производстве полимерных композиций, которые могут находить применение в качестве эффективных клеев, смазывающих добавок и понизителей фильтрации для буровых растворов, а также и для других композиций с иным конечным применением. Водные полимерные дисперсии и порошки, полученные согласно изобретению, содержат комплекс модифицированных компо- нет растительного сырья и характеризуются уникальными свойствами, ценными для применения при производстве древесно-стружечных плит в качестве связующего.
Применение метода жидкофазного окисления растительного сырья в щелочной среде в присутствии катализатора, в качестве которого используют водные растворы двухвалентных соединений меди, сопровождающегося модификацией всех компонент растительного сырья, позволяет сократить длительность технологического процесса получения технических продуктов, содержащих модифицированные компоненты растительного сырья.