Высокая прочность и легкая возобновляемость волокон наноразмерной целлюлозы вызывает большой интерес к ее производству и применению в бумажных и композитных материалах. Применение нановолокон целлюлозы для усиления прочности различных полимеров является относительно новой областью исследования. Промышленное производство наноцеллюлозы на сегодняшний день еще не реализовано ни одним предприятием.
В растительных волокнах содержатся нитевидные наноразмерные кристаллы – наноцеллюлоза. Различают две формы наноцеллюлозы:
1) Нанокристаллическая целлюлоза представляет собой нитевидные бездефектные монокристаллы.
Рис.1 поперечный скол пленки Рис.2 гель НКЦ наноцеллюлозы
2)Нанофибриллярная – нитевидные частицы с чередующимися кристаллами и разупорядоченными участками.[5. с.80]
Поверхность нанокристаллов обладает высокой химической активностью, высоким отрицательным зарядом, что позволяет модифицировать волокна, придавая материалу желаемые свойства. На основании этого существует широкий спектр возможностей применения НКЦ. Волокна НКЦ предназначены для использования в пищевой и непищевой промышленности: молочная, кондитерская, мясная, хлебопекарная и др.; при производстве широкого ассортимента пищевых продуктов и других потребностей в пищевом производстве. [4. с.3]
Следствием бездеффектности кристаллов целлюлозы на наноразмерном уровне является очень высокая прочность. Благодаря своей прочности, НКЦ может быть использована в нефте- и газодобывающей промышленности, бумажной, текстильной и химической промышленности при производстве пластмассы, полимерных пленок, для производства строительных материалов и т.д.
НКЦ применима в производстве упаковочных материалов в том числе пищевых продуктов. Причем пленкам, получаемым с добавлением нанокристаллической целлюлозы, свойственна прочность, прозрачность, абсолютная экологичность. Добавление в такую полимерную пленку кверцетина приводит к созданию антиоксидантного упаковочного материала, что очень важно при упаковке и хранении жировой продукции.
Кверцетин – (3,3́,4́,5,7-пентагидроксифлавон, мелитин, софоцетин) – лимонно-желтые кристаллы с температурой плавления 313-314̊С (с разложением), слабо растворимые в воде, диэтиловом эфире, этаноле, хлороформе, растворимые в СН3СООН и щелочах. Его выделяют из коры Quercustinctoria кипячением с катализаторами, а так же он найден в хмеле, чае, луковой шелухе, цветках мать-и-мачехи. Он обладает ярко выраженными антиоксидантными свойствами. Эти свойства очень важны при создании упаковки масложировой продукции. Так как пленка, содержащая симбиоз кверцетина и НКЦ является прекрасным барьером против окислительной порчи.
НКЦ – перспективный материал для создания биоразлагающихся материалов. При добавлении НКЦ в полимер улучшаются его прочностные и барьерные свойства, и в то же время получаемая пленка становится более чувствительной к воздействию естественных природных растворителей. Такая упаковка совершенно нетоксична, а ее производство может происходить с минимальной вредностью для экологии.
Целлюлозу традиционно получают из древесины.
Стадии получения целлюлозы из древесины:
1. Распиловка древесины
2. Измельчение древесины в рубильных машинах, образование щепа
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
3. Часть древесины подвергается варке в варочных котлах с использованием раствора сернистого газа
4. Другая часть древесины подвергается механической обработке — истиранию в шахтах. Продуктом является древесная масса, идущая на производство бумаги.
Но морфологическая и физическая структура природной целлюлозы у высших растений сложная и неоднородная, кроме того, молекулы целлюлозы тесно связаны с лигнином в стенках клеток растений, который блокирует функциональные, активные группы целлюлозы и таким образом автоматически теряется структурообразующая способность целлюлозы. [3. с.61]
Таблица1.
Химический состав древесины и жома.
В основе технологии производства НКЦ лежит избавление от всех посторонних примесей и получить в итоге однородные монокристаллические ряды. Методы выделения лигнина, процесс делигнизации древесины можно разделить на две группы: 1) методы, основанные на переводе углеводной части в раствор и получении лигнина в виде нерастворимого остатка; 2) методы, основанные на растворении лигнина с последующим осаждением его из полученных растворов. Кроме лигнина в древесине большое количество иных примесных веществ, следовательно, производство модифицированной целлюлозы из древесины–очень дорогостоящая процедура. На производстве используют сульфитную или сульфатную варку. В процессе обработки целлюлозы образуются газообразные соединения серы, загрязняющие производственные помещения и окружающую среду. Поэтому процесс получения целлюлозы является вредным. По этой причине во многих странах Европы сульфитно-сульфатная варка исключена из производства.
Альтернативным сырьем при производстве наноцеллюлозы являются сельскохозяйственные культуры и побочные продукты пищевых производств. Волокна из таких культур как лен, конопля, мексиканская агава, другие продукты растениеводства и отходы от их переработки составляют значительную дополнительную сырьевую базу для получения целлюлозы.
Недревесные растения обычно содержат меньше лигнина, чем древесные, поэтому в меньшей степени нуждаются в отбелке, а, следовательно, и являются более дешевым источником НКЦ, в том числе, в плане меньшей энергозатратности получения. Для получения наноцеллюлозы можно использовать продукты, относящиеся к отходам от переработки кукурузы, пшеницы, риса, сорго, ячменя, сахарного тростника, сахарной свеклы, ананаса, бананов и кокоса. Сейчас основной объем этих сельскохозяйственных побочных продуктов сжигается, используется как корм для скота или производства биотоплива. [2. с.160-180]
Благодаря своей возобновляемости, отходы этих культур могут быть крайне выгодными источниками природных нановолокон. Кроме того, когда побочные продукты используют как сырье, требуется меньше стадий обработки для получения целлюлозы. Важно, что микрофибриллы в сельскохозяйственных культурах менее связаны в стенках первичных клеток, чем во вторичных стенках в древесине, это приводит к значительному снижению энергозатрат для образования волокон в наноцеллюлозе. [5. с.3]
Так, например, среди однолетних растений, которые могут использоваться для получения НКЦ, свекловичный жом – побочный продукт производства сахара. Это выщелоченная свекловичная стружка, почти полностью лишенная сахара. [1. с.1]
В отличие от древесины, свекловичный жом практически не содержит лигнина – связующей субстанции, трудноотделяемой от волокон целлюлозы. Отделить от целлюлозы пектиновые вещества значительно проще, чем лигнин.
В ЗАО «ЭФКО-НТ» разработана технология получения нанокристаллической целлюлозы из свекловичного жома, не использующая концентрированные минеральные кислоты, дорогостоящие энзимы, соединения серы и хлора, применяемые в производстве наноцеллюлозы из древесины [5. с.81]. Технология является масштабируемой; в 2011г. запущено опытное производство пищевых волокон и наноцеллюлозы ООО «Растительные волокна». Такая технология обеспечивает высокую химическую чистоту получаемой наноцеллюлозы, обладающей высокой степенью реологии.
Список литературы:
1. Колесников Н. В. Хранение и использование свекловичного жома М.: Россельхозиздат, 1980 — 155с.
2. Никитин В.М., Оболенская А.В., Щеголев В.П., Химия древесины и целлюлозы — М. : Лесная промышленность, 1978. — 368с.
Нужна помощь в написании статьи?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Пишем статьи РИНЦ, ВАК, Scopus. Помогаем в публикации. Правки вносим бесплатно.
3. Роговин З.А. Химия целлюлозы Москва Изд.: «Химия», 1972г. – 520с.
4. Технические условия ТУ 9112-001-62644854-2011 Пищевые волокна (свекловичные) – 9с.
5. http://nanoprom.net/journal/archive/8.html (дата обращения 15.04.2012)