Получение, свойства и технология производства низковязкой карбоксиметилцеллюлозы на основе микрокристаллической и порошковой целлюлозы

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В настоящее время в мире среди различных эфиров целлюлозы карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) производится в промышленных масштабах и широко применяется в различных отраслях народного хозяйства. Несмотря на увеличение объемов производства КМЦ на 1,8% в год, она остаётся востребованным промышленным продуктом. В связи с этим, для полного удовлетворения потребностей различных сфер промышленности на КМЦ поиск новых целлюлозосодержащих источников представляет особый интерес в фундаментально-прикладном аспекте. После обретения независимости республики особое внимание уделяется в предприятия, производящие целлюлозу и ее производные на основе местного сырья, усовершенствованию действующих и разработку новых эффективных технологий для производств высококачественных, конкурентоспособных продуктов на мировой рынке. В настоящее время, внедрена полунепрерывная технология производства КМЦ путем модернизации классической периодической технологии, которая позволяет производить продукты низкой себестоимостью. В данном направлении, освоение выпуска принципиально новых видов продукции и технологий, обеспечение на этой основе конкурентоспособных отечественных товаров на внешних и внутренних рынках указаны в стратегии Действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан. В этом направлении можно отдельно выделить научные и практические исследования по производству низковязкой КМЦ и полианионной целлюлозы (ПАЦ) на основе хлопковой, микрокристаллической (МКЦ) и порошковой целлюлозы (ПЦ), широко используемые для получения синтетических моющих средств, также используемые в керамической, строительной, гидрометаллургической, нефтегазовой и горно-металлургической промышленностях. В настоящее время в мире основной задачей является разработка технологии производства новых видов КМЦ на основе различного целлюлозосодержащего сырья и расширение областей их применения. В данном направлении, синтез низковязкой, высококачественной, водорастворимой КМЦ на основе МКЦ и ПЦ, установление оптимальных условий реакций и границ полной растворимости в воде, установление энергии активации, константы скорости и теплового эффекта реакций, определение условии реакции высокозамещенной ПАЦ в одном этапе карбокси метилирован ия МКЦ и ПЦ, обоснование научных аспектов и разработка технологий их производства являются весьма актуальным. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в постановлении Президента Республики Узбекистан ПП №-1442 от 15 декабря 2010 года «О приоритетах развития промышленности Республики Узбекистан»,ПП-2698 от 26 декабря 2016 года «О мерах по дальнейшей реализации перспективных проектов локализации производства готовых видов продукции, комплектующих изделий и материалов па 2017-2019 годы», в Указе У П-4947 от 7 февраля 2017 года «О Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является синтез низковязкой водорастворимой КМЦ и высокозамещенной ПАЦ на основе МКЦ и ПЦ, определение их состава и разработка их технологий производства. Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем: впервые выявлены условия синтеза низкозамещенной, водорастворимой КМЦ с СЗ=0,42-0,48 на основе МКЦ и ПЦ моноаппаратным способом; впервые синтезирована высокозамещенная ПАЦ одноэтапным карбоксиметилированием МКЦ и ПЦ в среде этилового спирта; определены энергия активации, скорость реакции и тепловой эффект гетерогенного карбоксиметилирования МКЦ и ПЦ в адиабатических условиях; разработаны моноаппаратная технология производства низковязкой КМЦ и суспензионная технологияпроизводства низковязкой ПАЦ из МКЦ и ПЦ; доказано повышение огнестойкости и улучшение физико-механических свойств древесностружечных плит (ДСП) при включении в ее состав т низковязкую КМЦ. Заключение 1. Проведены сравнительные исследования условий щелочной обработки и этерификации МКЦ и ПЦ периодическим, полунепрерывным, суспензионным и моноаппаратным способами. Установлено, что для получения низковязких, водорастворимых образцов КМЦ из МКЦ и ПЦ приемлемы только суспензионные и моноаппаратные технологии их производства. Неприемлемость других способов обоснована не возможностью удаления избытка раствора щелочи и воды из щелочной МКЦ и ПЦ, что будет способствовать ускорению скорости побочной реакции разложения монохлорацетата натрия до гликолята натрия на стадии их этерификации. 2. Изучены влияния концентрации щелочи, температуры, расхода МАП, продолжительности реакции этерификации, размера частиц исходного сырья и других факторов на свойства конечного продукта, полученной моноаппаратным способом. Найдены оптимальные условия карбоксиметилирования МКЦ и ПЦ моноаппаратным способом. Впервые получены низкозамещенные, водорастворимые образцы КМЦ из МКЦ и ПЦ со СЗ-0,42-0,48 при расходе МАП 1,2-1,3 моль на 1 ангидроглюкозное звено целлюлозы. 3. Изучены кинетические зависимости скорости реакции этерификации МКЦ и ПЦ твердофазным способом в адиабатических условиях. Установлено,что значения энергии активации реакции карбоксиметилирования МКЦ и ПЦ равна Е=4,0 104 Дж/моль и Е=3,01Г104 Дж/моль соответственно. Удельный тепловой эффект МКЦ и ПЦ равны Qp=1797 кДж/кг и Qp=1905 кДж/кг соответственно. 4. Проведены исследования по получению высокозамещенных образцов КМЦ (ПАЦ) суспензионным способом. Определены оптимальные условия щелочной обработки и этерификации МКЦ и ПЦ в среде водно-органических растворителей. Установлено, что карбоксиметилированием щелочной ПЦ и МКЦ можно получить ПАЦ со СЗ 0,89-1,2 при расходе МХУК 2,0-2,0 моль на элементарное звено целлюлозы в среде этилового спирта. Показаны границы полной растворимости образцов КМЦ, полученных из МКЦ и ПЦ суспензионным способом. При этом, образцы КМЦ из МКЦ и ПЦ, полученные суспензионным способом полностью растворимы в воде при СЗ=0,35-0,38. 5. Разработана моноаппаратная технология производства низковязкой, низкозамещенной, водорастворимой КМЦ из МКЦ и ПЦ со СЗ=0,42-0,48 (при расходе алкилирующего агента 1,2-1,3 моль). Разработана технология производства низковязкой ПАЦ из МКЦ и ПЦ суспензионным способом С3= 1,13-1,21 (при расходе алкилирующего агента 2,0-2,2 моль). 6. Показано новое направление в применении низковязкой КМЦ в производстве экологически безопасных, огнезащитных ДСП и получены лабораторные и опытно-промышленные партии трудногоючей ДСП. Установлено, что добавление низковязкой КМЦ в состав композиции трудногорючей ДСП повышает физико-механические показатели продукта. Показатели горючести опытно-промышленной партии ДСП, полученной на предприятии ООО «Dealmar Dicount» исследованы в лаборатории ПТУ МВД РУз по ГОСТу 12.1.044 и отнесены к классу «трудногорючие материалы». Физико-механические показатели опытно-промышленной партии трудногорючей ДСП соответствовали требованиям ГОСТ 10632-2007.