целлюлоза тяньши, целлюлоза
Целлюло́за (фр. cellulose от лат. cellula - «клетка, клетушка») - углевод, полимер с формулой (C6H10O5)n, белое твёрдое вещество, нерастворимое в воде, молекула имеет линейное (полимерное) строение, структурная единица - остаток β-глюкозы n. Полисахарид, главная составная часть клеточных оболочек всех высших растений.

• 1 История
• 2 Физические свойства
• 3 Химические свойства
• 4 Получение
• 5 Применение
• 6 Нахождение в природе
  • 6.1 Организация и функция в клеточных стенках
  • 6.2 Биосинтез
• 7 Интересные факты
• 8 Примечания
• 9 См. также
• 10 Ссылки

История

Целлюлоза была обнаружена и описана французским химиком Ансельмом Пайеном в 1838 году.

Физические свойства

Целлюлоза - белое твердое, стойкое вещество, не разрушается при нагревании (до 200 °C). Является горючим веществом, температура воспламенения 275 °С, температура самовоспламенения 420 °С (хлопковая целлюлоза). Растворима в сравнительно ограниченном числе растворителей - водных смесях комплексных соединениях гидроксидов переходных металлов (Сu, Cd, Ni) с NH3 и аминами, некоторых минеральных (H2SO4, Н3РО4) и органических (трифторуксусная) кислотах, аминоксидах, некоторых системах (например, натрийжелезовинный комплекс - аммиак -щелочь, ДМФА - N2O4)..

Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие 300-10 000 остатков глюкозы, без боковых ответвлений. Эти нити соединены между собой множеством водородных связей, что придает целлюлозе большую механическую прочность, при сохранении эластичности.

Зарегистрирована в качестве пищевой добавки E460.

Химические свойства

Целлюлоза состоит из остатков молекул глюкозы, которая и образуется при гидролизе целлюлозы:

(C6H10O5)n + nH2O nC6H12O6

Серная кислота с йодом, благодаря гидролизу, окрашивают целлюлозу в синий цвет. Один же йод - только в коричневый.

При реакции с азотной кислотой образуется нитроцеллюлоза (тринитрат целлюлозы):

В процессе этерификации целлюлозы уксусной кислотой получается триацетат целлюлозы:

Целлюлозу крайне сложно растворить и подвергнуть дальнейшим химическим превращениям, однако в среде подходящего растворителя, например, в ионной жидкости, такой процесс можно осуществить эффективно.

При гетерогенном гидролизе параметр n снижается до некоторого постоянного значения (предельное значение степени полимеризации после гидролиза), что обусловлено завершением гидролиза аморфной фазы. При гидролизе хлопковой целлюлозы до предельного значения получают легкосыпучий белоснежный порошок - микрокристаллическую целлюлозу (степень кристалличности 70-85%; средняя длина кристаллитов 7 - 10 нм), при диспергировании которой в воде образуется тиксотропный гель. При ацетолизе целлюлоза превращается в восстанавливающий дисахарид целлобиозу (ф-ла I) и ее олигомергомологи.

Термическая деструкция целлюлозы начинается при 150 °С и приводит к выделению низкомолекулярных соединений (Н2, СН4, СО,спирты, карбоновые к-ты, карбонильные производные и др.) и продуктов более сложного строения. Направление и степень разложения определяются типом структурной модификации, степенями кристалличности и полимеризации. Выход одного из основных продуктов деструкции - левоглюкозана изменяется от 60-63 (хлопковая целлюлоза) до 4-5% по массе (вискозные волокна).

Процесс пиролиза целлюлозы в общем виде, по данным термического анализа, протекает следующим образом. Вначале в широком температурном диапазоне от 90 до 150 °С идет испарение физически связанной воды. Активный распад целлюлозы с потерей массы начинается при 280 °С и заканчивается примерно при 370 °С. Максимум скорости потери массы приходится на 330-335 °С (Д7Т-кривая). период активного распада теряется около 60-65 % массы навески. Дальнейшая потеря массы идет с меньшей скоростью, остаток при 500 °С составляет 15-20 % от навески целлюлозы (7Т-кривая). Активный распад протекает с поглощением тепла (ДГЛ-кривая). Эндотермический процесс переходит в экзотермический с максимумом выделения тепла при 365 °С, т. е. уже после основной потери массы. Экзотермика с максимумом при 365 °С связана с вторичными реакциями - с распадом первичных продуктов. Если термический анализ проводить в вакууме, т. е. обеспечить эвакуацию первичных продуктов, то экзотермический пик на ДТА-кривой исчезает.

Что интересно, при разной длительности нагревания целлюлозы, происходят разные химические процессы.

При облучении образца светом с длиной волны < 200 нм протекает фотохимическая деструкция целлюлозы, в результате которой снижается степень полимеризации, увеличиваются полидисперсность, содержание карбонильных и карбоксильных групп.

Получение

Промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных заводах, входящих в промышленные комплексы (комбинаты). По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:

• Кислые:
  • Сульфитный . Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например гидросульфит натрия. Этот метод применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты.
  • азотнокислый. Метод состоит в обработке хлопковой целлюлозы 5-8%-ной HNO3 в течение 1-3 ч при температуре около 100 °С и атмосферном давлении с последующей промывкой и экстракцией разбавления раствором NaOH
• Щелочные:
  • Натронный . Используется раствор гидроксида натрия. Натронным способом можно получать целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Преимущество данного метода - отсутствие неприятного запаха соединений серы, недостатки - высокая стоимость получаемой целлюлозы. Метод практически не используется.
  • Сульфатный . Наиболее распространенный метод на сегодняшний день. качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щёлоком. Своё название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. Недостатком его является выделения большого количества дурно пахнущих сернистых соединений: метилмеркаптана, диметилсульфида и др. в результате побочных реакций.

Получаемая после варки техническая целлюлоза содержит различные примеси: лигнин, гемицеллюлозы. Если целлюлоза предназначена для химической переработки (например, для получения искусственных волокон), то она подвергается облагораживанию - обработке холодным или горячим раствором щелочи для удаления гемицеллюлоз.

Для удаления остаточного лигнина и придания целлюлозе белизны проводится её отбелка. Традиционная для 20 века хлорная отбелка включала в себя две ступени:

• обработка хлором - для разрушения макромолекул лигнина;
• обработка щелочью - для экстракции образовавшихся продуктов разрушения лигнина.

С 1970-х годов в практику вошла также отбелка озоном. начале 1980-х годов появились сведения об образовании в процессе хлорной отбелки чрезвычайно опасных веществ - диоксинов. Это привело к необходимости замены хлора на другие реагенты. настоящее время технологии отбелки подразделяются на:

• ECF (Elemental chlorine free) - без использования элементарного хлора, с заменой его на диоксид хлора.
• TCF (Total chlorine free) - полностью бесхлорная отбелка. Используются кислород, озон, пероксид водорода и др.

Применение

Целлюлозу и её эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха). Хлопок, состоящий большей частью из целлюлозы (до 99,5 %), идёт на изготовление тканей.

Древесная целлюлоза используется для производства бумаги, пластмасс, кино- и фотоплёнок, лаков, бездымного пороха и т. д.

Нахождение в природе

Целлюлоза является одним из основных компонентов клеточных стенок растений, хотя содержание данного полимера в различных клетках растений или даже частях стенки одной клетки сильно варьирует. Так, например, клеточные стенки клеток эндосперма злаков содержат всего около 2 % целлюлозы, в то же время хлопковые волокна, окружающие семена хлопчатника, состоят из целлюлозы более чем на 90 %. Клеточные стенки в области кончика удлиненных клеток, характеризующихся полярным ростом (пыльцевая трубка, корневой волосок), практически не содержат целлюлозы и состоят в основном из пектинов, в то время как базальные части этих клеток содержат значительные количества целлюлозы. Кроме того, содержание целлюлозы в клеточной стенке изменяется в ходе онтогенеза, обычно вторичные клеточные стенки содержат больше целлюлозы, чем первичные.

Организация и функция в клеточных стенках

Отдельные макромолекулы целлюлозы включат от 2 до 25 тысяч остатков D-глюкозы. Целлюлоза в клеточных стенках организована в микрофибриллы, представляющие собой паракристаллические ансамбли из нескольких отдельных макромолекул (около 36) связанных между собой водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. Макромолекулы находящиеся в одной плоскости и связанные между собой водородными связями формируют лист в пределах микрофибриллы. Между собой листы макромолекул также связаны большим числом водородных связей. Хотя сами по себе водородные связи достаточно слабые, за счёт того, что их много микрофибриллы целлюлозы обладают высокой механической прочностью и устойчивостью к действию различных ферментов. Индивидуальные макромолекулы в микрофибрилле начинаются и заканчиваются в разных местах, поэтому длина микрофибриллы превышает длину отдельных макромолекул целлюлозы. Следует отметить, что макромолекулы в микрофибрилле ориентированы одинаково, то есть редуцирующие концы (концы со свободной, аномерной OH-группой при C1 атоме) расположены с одной стороны. Современные модели организации микрофибрилл целлюлозы предполагают, что в центральной области она имеет высокоорганизованную структуру, а к периферии расположение макромолекул становится более хаотичным.

Между собой микрофибриллы связаны сшивочными гликанами (гемицеллюлозы) и в меньшей степени пектинами. Целлюлозные микрофибриллы, связанные сшивочными гликанами, формируют трехмерную сеть погружённую в гелеобразный матрикс из пектинов и обеспечивающую высокую прочность клеточных стенок.

Во вторичных клеточных стенках микрофибриллы могут быть ассоциированы в пучки, которые называют макрофибриллами. Подобная организация дополнительно увеличивает прочность клеточной стенки.

Биосинтез

Образование макромолекул целлюлозы клеточных стенок высших растений катализирует мультисубъединичный мембранный целлюлозосинтазный комплекс, расположенный на конце удлиняющихся микрофибрилл. Полный комплекс целлюлозосинтазы состоит из каталитической, поровой и кристаллизационной субъединиц. Каталитическая субъединица целлюлозосинтазы кодируется мультигенным семейством CesA (cellulose synthase A), которое входит в суперсемейство Csl (cellulose synthase-like), включающее также гены CslA, CslF, CslH и CslC ответственные за синтез других полисахаридов.

При изучении поверхности плазмалеммы растительных клеток методом замораживания-скалывания в основании целлюлозных микрофибрилл можно наблюдать так называемые розетки или терминальные комплексы размером около 30 нм и состоящие из 6 субъединиц. Каждая такая субъединица розетки является в свою очередь суперкомплексом образованным из 6 целлюлозосинтаз. Таким образом, в результате работы подобной розетки формируется микрофибрилла, содержащая на поперечном срезе около 36 макромолекул целлюлозы. У некоторых водорослей суперкомплексы синтеза целлюлозы организованы линейно.

Интересно, что роль затравки для начала синтеза целлюлозы играет гликозилированный ситостерин. Непосредственным субстратом для синтеза целлюлозы является UDP-глюкоза. За образование UDP-глюкозы отвечает сахарозосинтаза, ассоциированная с целлюлозосинтазой и осуществляющая реакцию:

Сахароза + UDP UDP-глюкоза + D-фруктоза

Кроме того UDP-глюкоза, может образовываться из пула гексозофосфатов в результате работы УДФ-глюкозопирофосфорилазы:

Глюкозо-1-фосфат + UTP UDP-глюкоза + PPi

Направление синтеза микрофибрилл целлюлозы обеспечивается за счёт движения целлюлозосинтазных комплексов по микротрубочкам прилежащим со внутренней стороны к плазмалемме. У модельного растения, резуховидка Таля, обнаружен белок CSI1 отвечающий за закрепление и движение целлюлозосинтазных комплексов по кортикальным микротрубочкам.

У млекопитающих (как и большинства других животных) нет ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Однако многие травоядные животные (например, жвачные) имеют в пищеварительном тракте бактерий-симбионтов, которые расщепляют и помогают хозяевам усваивать этот полисахарид.

Примечания

1. 1 2 Глинка Н.Л. Общая химия. - 22 изд., испр. - Ленинград: Химия, 1977. - 719 с.
2. Ignatyev, Igor; Charlie Van Doorslaer, Pascal G.N. Mertens, Koen Binnemans, Dirk. E. de Vos (2011). «Synthesis of glucose esters from cellulose in ionic liquids». Holzforschung 66 (4): 417-425. DOI:10.1515/hf.2011.161.
3. 1 2 ЦЕЛЛЮЛОЗА.
4. 1 2 Пиролиз целлюлозы.

См. также

В Викисловаре есть статья «целлюлоза»

• Список стран, производящих целлюлозу
• Сульфатный процесс
• Ацетилцеллюлоза
• Ансельм Пайя
• Айрлайд (нетканый материал из Целлюлозы)

Ссылки

• статья «Целлюлоза» (Химическая энциклопедия)
• (англ.) LSBU cellulose page
• (англ.) Clear description of a cellulose assay method at the Cotton Fiber Biosciences unit of the USDA.
• (англ.) Cellulose Ethanol Production - First commercial plant

Микрокристаллическая целлюлоза в технологии лекарственных средств

Углеводы
Общие:	Альдозы · Кетозы · Фуранозы · Пиранозы
Геометрия	Аномеры · Мутаротация · Проекция Хоуорса
Моносахариды	Диозы Альдодиоза (Гликольальдегид) Триозы Кетотриоза (Дигидроксиацетон) · Альдотриоза (Глицеральдегид) Тетрозы Кетотетроза (Эритрулоза) · Альтотетрозы (Эритроза, Треоза) Пентозы Кетопентозы (Рибулоза, Ксилулоза) Альдопентозы (Рибоза, Арабиноза, Ксилоза, Ликсоза, Апиоза) Дезоксисахариды (Дезоксирибоза) Гексоза Кетогексозы (Псикоза, Фруктоза, Сорбоза, Тагатоза) Альдогексозы (Аллоза, Альтроза, Глюкоза, Манноза, Гулоза, Идоза, Галактоза, Талоза) Дезоксисахариды (Фукоза, Фукулоза, Рамноза) Гептозы Кетогептозы (Седогептулоза, Манногептулоза) >7 Октозы · Нонозы (Нейраминовая кислота) · Сиаловые кислоты (N-ацетилнейраминовая кислота)
Мультисахариды	Дисахариды Сахароза · Лактоза · Мальтоза · Нигероза · Трегалоза · Тураноза · Целлобиоза · Мелибиоза · Генциобиоза · Вицианоза · Рутиноза Трисахариды Рафиноза · Мелицитоза · Мальтотриоза · Генцианоза · Солатриоза · Целлотриоза · Эрлоза Тетрасахариды Акарбоза · Стахиоза Олигосахариды Фруктоолигосахариды · Галактоолигосахариды · Маннанолигосахариды · Изомальтанолигосахариды · Мальтодекстрин · Полисахариды Гликоген · Крахмал · · Хитин · Амилоза · Амилопектин · Сахилоза · Фруктаны (Инулин, Леван) · Декстран · Пектин · Галактан · Маннан · Ксилан · Арабан · Галактоманнан · Агароза · Лихенин · Пуллулан
Производные углеводов

Растительные клетки
Органеллы	Пластиды (Лейкопласты Хромопласты Хлоропласты Элайопласты Этиопласты Амилопласты Протеинопласты Геронтопласты Статолиты Танносомы); Вакуоль
Клеточная стенка
Деление растительной клетки

целлюлоза, целлюлоза в продуктах, целлюлоза википедия, целлюлоза материал, целлюлоза ру, целлюлоза тяньши, целлюлоза формула, целлюлоза хлопковая, целлюлоза эвкалипт, целлюлоза это

Целлюлоза Информацию О

В настоящее время промышленное значение имеют лишь два источника целлюлозы – хлопок и древесная масса. Хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу и не требует сложной обработки, чтобы стать исходным материалом для изготовления искусственного волокна и неволокнистых пластиков. После того как от хлопкового семени отделены длинные волокна, используемые для изготовления хлопчатобумажных тканей, остаются короткие волоски, или «линт» (хлопковый пух), длиной 10–15 мм. Линт отделяют от семени, в течение 2–6 ч нагревают под давлением с 2,5–3%-м раствором гидроксида натрия, затем промывают, отбеливают хлором, снова промывают и сушат. Полученный продукт представляет собой целлюлозу чистоты 99%. Выход равен 80% (масс.) линта, а остальное приходится на лигнин, жиры, воски, пектаты и шелуху семян. Древесную массу делают обычно из древесины деревьев хвойных пород. Она содержит 50–60% целлюлозы, 25–35% лигнина и 10–15% гемицеллюлоз и нецеллюлозных углеводородов. В сульфитном процессе древесную щепу варят под давлением (около 0,5 МПа) при 140° C с диоксидом серы и бисульфитом кальция. При этом лигнины и углеводороды переходят в раствор и остается целлюлоза. После промывки и отбеливания очищенная масса отливается в рыхлую бумагу, похожую на промокательную, и сушится. Такая масса на 88–97% состоит из целлюлозы и вполне пригодна для химической переработки в вискозное волокно и целлофан, а также в производные целлюлозы – сложные и простые эфиры.

Процесс регенерации целлюлозы из раствора при добавлении кислоты в ее концентрированный медноаммиачный (т.е. содержащий сульфат меди и гидроксид аммония) водный раствор был описан англичанином Дж.Мерсером около 1844. Но первое промышленное применение этого метода, положившее начало промышленности медно-аммиачного волокна, приписывается Е.Швейцеру (1857), а дальнейшее его развитие – заслуга М.Крамера и И.Шлоссбергера (1858). И только в 1892 Кросс, Бевин и Бидл в Англии изобрели процесс получения вискозного волокна: вязкий (откуда название вискоза) водный раствор целлюлозы получался после обработки целлюлозы сначала крепким раствором едкого натра, что давало «натронную целлюлозу», а затем – дисульфидом углерода (CS 2), в результате чего получался растворимый ксантогенат целлюлозы. При выдавливании струйки этого «прядильного» раствора через фильеру с малым круглым отверстием в кислотную ванну целлюлоза регенерировалась в форме вискозного волокна. При выдавливании раствора в такую же ванну через фильеру с узкой щелью получалась пленка, названная целлофаном. Ж.Бранденбергер, занимавшийся во Франции этой технологией с 1908 по 1912, первым запатентовал непрерывный процесс изготовления целлофана.

Химическая структура.

Несмотря на широкое промышленное применение целлюлозы и ее производных, принятая в настоящее время химическая структурная формула целлюлозы была предложена (У.Хоуорсом) лишь в 1934. Правда, с 1913 была известна ее эмпирическая формула C 6 H 10 O 5 , определенная по данным количественного анализа хорошо промытых и высушенных образцов: 44,4% C, 6,2% H и 49,4% O. Благодаря работам Г.Штаудингера и К.Фройденберга было известно также, что это длинноцепная полимерная молекула, состоящая из показанных на рис. 1 повторяющихся глюкозидных остатков. Каждое звено имеет три гидроксильные группы – одну первичную (– CH 2 Ч OH) и две вторичные (> CH Ч OH). К 1920 Э.Фишер установил структуру простых сахаров, и в том же самом году рентгенографические исследования целлюлозы впервые показали четкую дифракционную картину ее волокон. Рентгенограмма волокна хлопка указывает на четко выраженную кристаллическую ориентацию, но волокно льна еще более упорядочено. При регенерации целлюлозы в форме волокна кристалличность в значительной мере теряется. Как нетрудно видеть в свете достижений современной науки, структурная химия целлюлозы практически стояла на месте с 1860 по 1920 по той причине, что все это время оставались в зачаточном состоянии вспомогательные научные дисциплины, необходимые для решения проблемы.

РЕГЕНЕРИРОВАННАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА

Вискозное волокно и целлофан.

И вискозное волокно, и целлофан – это регенерированная (из раствора) целлюлоза. Очищенная природная целлюлоза обрабатывается избытком концентрированного гидроксида натрия; после удаления избытка ее комки растирают и полученную массу выдерживают в тщательно контролируемых условиях. При таком «старении» уменьшается длина полимерных цепей, что способствует последующему растворению. Затем измельченную целлюлозу смешивают с дисульфидом углерода и образовавшийся ксантогенат растворяют в растворе едкого натра для получения «вискозы» – вязкого раствора. Когда вискоза попадает в водный раствор кислоты, из нее регенерируется целлюлоза. Упрощенные суммарные реакции таковы:

Вискозное волокно, получаемое выдавливанием вискозы через малые отверстия фильеры в раствор кислоты, широко применяется для изготовления одежды, драпировочных и обивочных тканей, а также в технике. Значительные количества вискозного волокна идут на технические ремни, ленты, фильтры и шинный корд.

Целлофан.

Целлофан, получаемый выдавливанием вискозы в кислую ванну через фильеру с узкой щелью, проходит затем через ванны промывки, отбеливания и пластификации, пропускается через сушильные барабаны и сматывается в рулон. Поверхность целлофановой пленки почти всегда покрывают нитроцеллюлозой, смолой, каким-либо воском или лаком, чтобы уменьшить пропускание паров воды и обеспечить возможность термической герметизации, так как целлофан без покрытия не обладает свойством термопластичности. На современных производствах для этого используются полимерные покрытия поливинилиденхлоридного типа, поскольку они в меньшей степени влагопроницаемы и дают более прочное соединение при термогерметизации.

Целлофан широко применяется главным образом в тароупаковочном производстве как оберточный материал для галантерейных товаров, пищевых продуктов, табачных изделий, а также в качестве основы для самоклеющейся упаковочной ленты.

Вискозная губка.

Наряду с получением волокна или пленки, вискозу можно смешать с подходящими волокнистыми и мелкокристаллическими материалами; после кислотной обработки и водного выщелачивания такая смесь преобразуется в вискозный губчатый материал (рис. 2), который применяется для упаковки и теплоизоляции.

Медноаммиачное волокно.

Волокно из регенерированной целлюлозы производится в промышленных масштабах также путем растворения целлюлозы в концентрированном медноаммиачном растворе (CuSO 4 в NH 4 OH) и формования из полученного раствора волокна в кислотной осадительной ванне. Такое волокно называется медноаммиачным.

СВОЙСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Химические свойства.

Как показано на рис. 1, целлюлоза представляет собой высокополимерный углевод, состоящий из глюкозидных остатков C 6 H 10 O 5 , соединенных эфирными мостиками в положении 1,4. Три гидроксильные группы в каждом глюкопиранозном звене могут быть этерифицированы такими органическими агентами, как смесь кислот и ангидридов кислот с соответствующим катализатором, например серной кислотой. Простые эфиры могут образовываться в результате действия концентрированного гидроксида натрия, приводящего к образованию натронной целлюлозы, и последующей реакции с алкилгалогенидом:

Реакция с оксидом этилена или пропилена дает гидроксилированные простые эфиры:

Наличием этих гидроксильных групп и геометрией макромолекулы обусловлено сильное полярное взаимное притяжение соседних звеньев. Силы притяжения столь велики, что обычные растворители не в состоянии разорвать цепь и растворить целлюлозу. Эти свободные гидроксильные группы ответственны также за большую гигроскопичность целлюлозы (рис. 3). Этерификация и эфиризация понижают гигроскопичность и повышают растворимость в обычных растворителях.

Под действием водного раствора кислоты разрываются кислородные мостики в положении 1,4-. Полный разрыв цепи дает глюкозу – моносахарид. Первоначальная длина цепи зависит от происхождения целлюлозы. Она максимальна в природном состоянии и уменьшается в процессе выделения, очистки и преобразования в производные соединения (см . таблицу).

Даже механический сдвиг, например при абразивном размельчении, приводит к уменьшению длины цепей. При уменьшении длины полимерной цепи ниже определенного минимального значения изменяются макроскопические физические свойства целлюлозы.

Окислительные агенты оказывают на целлюлозу воздействие, не вызывая расщепления глюкопиранозного кольца (рис. 4). Последующее действие (в присутствии влаги, например, при климатических испытаниях), как правило, приводит к разрыву цепи и увеличению числа альдегидоподобных концевых групп. Поскольку альдегидные группы легко окисляются до карбоксильных, содержание карбоксила, практически отсутствующего в природной целлюлозе, резко возрастает в условиях атмосферных воздействий и окисления.

Как и все полимеры, целлюлоза разрушается под воздействием атмосферных факторов в результате совместного действия кислорода, влаги, кислотных компонентов воздуха и солнечного света. Важное значение имеет ультрафиолетовая составляющая солнечного света, и многие хорошо защищающие от УФ-излучения агенты увеличивают срок службы изделий из производных целлюлозы. Кислотные компоненты воздуха, такие, как оксиды азота и серы (а они всегда присутствуют в атмосферном воздухе промышленных районов), ускоряют разложение, зачастую оказывая более сильное воздействие, чем солнечный свет. Так, в Англии было отмечено, что образцы хлопка, испытывавшиеся на воздействие атмосферных условий, зимой, когда практически не было яркого солнечного света, деградировали быстрее, чем летом. Дело в том, что сжигание зимой больших количеств угля и газа приводило к повышению в воздухе концентрации оксидов азота и серы. Кислотные поглотители, антиоксиданты и агенты, поглощающие УФ-излучение, снижают чувствительность целлюлозы к атмосферным воздействиям. Замещение свободных гидроксильных групп приводит к изменению такой чувствительности: нитрат целлюлозы деградирует быстрее, а ацетат и пропионат – медленнее.

Физические свойства.

Полимерные цепи целлюлозы упакованы в длинные пучки, или волокна, в которых наряду с упорядоченными, кристаллическими имеются и менее упорядоченные, аморфные участки (рис. 5). Измеренный процент кристалличности зависит от типа целлюлозы, а также от способа измерения. По рентгеновским данным, он составляет от 70% (хлопок) до 38–40% (вискозное волокно). Рентгенографический структурный анализ дает информацию не только о количественном соотношении между кристаллическим и аморфным материалом в полимере, но и о степени ориентации волокна, вызываемой растяжением или нормальными процессами роста. Резкость дифракционных колец характеризует степень кристалличности, а дифракционные пятна и их резкость – наличие и степень предпочтительной ориентации кристаллитов. В образце вторичного ацетата целлюлозы, полученного процессом «сухого» формования, и степень кристалличности, и ориентация весьма незначительны. В образце триацетата степень кристалличности больше, но предпочтительная ориентация отсутствует. Термообработка триацетата при температуре 180–240°

Для чего нужна целлюлоза?

Целлюлоза – это главный материал для строительства, который используется в растительном мире . Она образует клеточные стенки высших растений, например таких, как деревья. Она делает растение гибким. Целлюлоза вырабатывается растениями для их потребностей. Ее состав идентичен составу сахара – целлюлоза состоит из углерода, кислорода и водорода. Все эти элементы есть также в воде и воздухе. Еще со школы всем известно, что под действием солнца на листьях образуется сахар. Это явление называется фотосинтезом. Сахар растворяется в соке растения и распространяется во все его части. В основном сахар используется растением для его роста и восстановления в случае каких-то неполадок, но есть некая доля сахара, которая превращается в целлюлозу.

Целлюлоза – натуральный продукт, и его можно получить только естественным способом , искусственно он не синтезируется. Самая чистая форма целлюлозы – это волоски семян хлопчатника. Сейчас целлюлозу получают только из двух видов природного сырья – из хлопка и из древесной массы. Хлопок не нуждается в сложном процессе обработки для того, чтобы изготовить из него впоследствии искусственные волокна и неволокнистый пластик. Процесс получения целлюлозы из хлопка представляет собой следующий процесс: от хлопкового семени сначала отделяются длинные волокна, которые, собственно, и используются для того, чтобы изготовить хлопчатобумажные ткани. После этого остается «линт» или хлопковый пух, который представляет собой короткие волоски длиной не более 15 мм. Линт, будучи отделенным от хлопкового семени, нагревают под давлением от двух до шести часов. При этом еще используется 3%-й раствор гидроксида натрия. После этого полученный материал промывают и отбеливают с помощью хлора, потом снова промывают и высушивают. В итоге получается целлюлоза, чистота которой 99%. Это наиболее чистая целлюлоза.

Из древесной массы получается целлюлоза более «грязная» - в ней не более 97% чистой целлюлозы. Древесная масса изготавливается из хвойных деревьев. Древесную щепу варят под давлением, добавляя диоксид серы и бисульфит кальция. Лигнины и углеводороды, из которых древесная масса состоит примерно наполовину, при этом выделяются в раствор. В итоге, после того, как полученный материал промыли, отбелили и очистили, получается что-то похожее на рыхлую бумагу. Этот материал содержит в себе от 80 до 97% целлюлозы. Полученная таким образом целлюлоза может быть использована для того, чтобы получить из нее вискозное волокно и целлофан. Кроме этого, из нее получаются также сложные и простые эфиры.

Человек использует целлюлозу в разных отраслях промышленности.. Например, из хлопка шьют одежду, а ведь хлопок состоит на 99,8% из натуральной целлюлозы. А для того, чтобы получить взрывчатое вещество пироксилин, нужно всего лишь провести химическую реакцию – нанести на хлопок азотную и серную кислоту.

Целлюлозу человек использует и для питания. Она входит в состав многих съедобных растений – салат, сельдерей. Отруби содержат большое количество необходимой организму человека целлюлозы. Несмотря на то, что целлюлоза не может быть переработана человеческой пищеварительной системой, она представляет что-то вроде «грубых кормов». Кроме этого, после обработки из целлюлозы можно получить и такие изделия, как основу для фотопленки, добавку для лаков, различные пластические материалы..

Целлюлоза – один из самых распространенных природных полисахаридов, главная составляющая часть и основной структурный материал клеточных стенок растений. Содержание целлюлозы в волокнах хлопковых семян 95-99.5%, в лубяных волокнах (лен, джут, рами) 60-85%, в тканях древесины (в зависимости от породы дерева, его возраста, условий произрастания) 30-55%, в зеленых листьях, траве, низших растениях 10-25%. Почти в индивидуальном состоянии целлюлоза находится в бактериях рода Acetobacter . Спутниками целлюлозы в клеточных стенках большинства растений являются другие структурные полисахариды, отличающиеся по строению и называемые гемицеллюлозами – ксилан, маннан, галактан, арабан и др. (см. раздел «Гемицеллюлозы»), а также вещества неуглеводного характера (лигнин – пространственный полимер ароматического строения, диоксид кремния, смолистые вещества и др.).

Целлюлоза определяет механическую прочность клеточной оболочки и растительной ткани в целом. Распределение и ориентация целлюлозных волокон по отношению к оси растительной клетки на примере древесины показаны на рис.1. Там же представлена субмикронная организация клеточной стенки.

Стенка зрелой клетки древесины, как правило, включает в себя первичную и вторичную оболочки (рис.1). Последняя содержит три слоя - внешний, средний и внутренний.

В первичной оболочке природные волокна целлюлозы расположены беспорядочно и образуют сетчатую структуру (дисперсную текстуру ). Целлюлозные волокна во вторичной оболочке ориентированы в основном параллельно друг другу, что обуславливает высокую прочность растительного материала на разрыв. Степень полимеризации и кристалличности целлюлозы во вторичной оболочке выше, чем в первичной.

В слое S 1 вторичной оболочки (рис.1, 3 ) направление волокон целлюлозы почти перпендикулярно оси клетки, в слое S 2 (рис.1, 4 ) они образуют с осью клетки острый (5-30) угол. Ориентация волокон в слое S 3 сильно варьирует и может различаться даже в рядом расположенных трахеидах. Так, у трахеид ели угол между преимущественной ориентацией целлюлозных волокон и осью клетки колеблется в пределах 30-60, а у волокон большинства лиственных пород – 50-80. Между слоями Р и S 1 , S 1 и S 2 , S 2 и S 3 наблюдаются переходные области (ламеллы) с иной микроориентацией волокон, чем в основных слоях вторичной оболочки.

Техническая целлюлоза – волокнистый полуфабрикат, получается очисткой растительных волокон от нецеллюлозных компонентов. Целлюлозу принято называть по виду исходного сырья (древесная, хлопковая ), методу выделения из древесины (сульфитная, сульфатная ), а также по назначению (вискозная, ацетатная и др. ).

Получение

1. Технология получения древесной целлюлозы включает следующие операции: удаление коры с древесины (окорка); получение древесной щепы; варка щепы (в промышленности варку ведут по сульфатному или сульфитному способу); сортирование; отбелка; сушка; резка.

Сульфитный способ. Еловую древесину обрабатывают водным раствором бисульфита кальция, магния, натрия или аммония, затем в течение 1,5-4 часов повышают температуру до 105-110С, варят при этой температуре в течение 1-2 часов. Далее повышают температуру до 135-150С и варят в течение 1-4 часов. При этом все нецеллюлозные компоненты древесины (главным образом лигнин и гемицеллюлозы) переходят в растворимое состояние, и остается обезлигниненная целлюлоза.

Сульфатный способ. Щепу любых пород древесины (а также тростник) обрабатывают варочным щелоком, представляющим собой водный раствор едкого натра и сульфида натрия (NaOH + Na 2 S). В течение 2-3 часов повышают температуру до 165-180С и варят при этой температуре в течение 1-4 часов. Переведенные в растворимое состояние нецеллюлозные компоненты удаляются из реакционной смеси, и остается очищенная от примесей целлюлоза.

2. Хлопковая целлюлоза получается из хлопкового линта. Технология получения включает механическую очистку, щелочную варку (в 1-4%-ном водном растворе NaOH при температуре 130-170С) и отбелку. Электронные микрофотографии волокон хлопковой целлюлозы приведены на рис.2.

3. Бактериальная целлюлоза синтезируется бактериями рода Acetobacter . Образующаяся бактериальная целлюлоза имеет высокую молекулярную массу и узкое молекулярно-массовое распределение.

Узкое молекулярно-массовое распределение объясняется следующим. Поскольку в бактериальную клетку углевод поступает равномерно, средняя длина образующихся целлюлозных волокон увеличивается во времени пропорционально. При этом заметного увеличения поперечных размеров микроволокон (микрофибрилл) не происходит. Средняя скорость роста волокон бактериальной целлюлозы составляет ~0.1 мкм/мин, что соответствует полимеризации 10 7 -10 8 глюкозных остатков в час на одну бактериальную клетку. Следовательно, в среднем в каждой бактериальной клетке к растущим концам нерастворимых целлюлозных волокон в секунду присоединяется 10 3 глюкопиранозных звеньев.

Микроволокна бактериальной целлюлозы растут с двух концов фибриллы в обе с одинаковой скоростью. Макромолекулярные цепи внутри микрофибрилл расположены антипараллельно. Для других видов целлюлоз такие данные не получены. Электронная микрофотография волокон бактериальной целлюлозы приведена на рис.3. Видно, что волокна имеют приблизительно одинаковую длину и площадь поперечного сечения.

ЦЕЛЛЮЛОЗА
клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы - волоски семян хлопчатника.
Очистка и выделение. В настоящее время промышленное значение имеют лишь два источника целлюлозы - хлопок и древесная масса. Хлопок представляет собой почти чистую целлюлозу и не требует сложной обработки, чтобы стать исходным материалом для изготовления искусственного волокна и неволокнистых пластиков. После того как от хлопкового семени отделены длинные волокна, используемые для изготовления хлопчатобумажных тканей, остаются короткие волоски, или "линт" (хлопковый пух), длиной 10-15 мм. Линт отделяют от семени, в течение 2-6 ч нагревают под давлением с 2,5-3%-м раствором гидроксида натрия, затем промывают, отбеливают хлором, снова промывают и сушат. Полученный продукт представляет собой целлюлозу чистоты 99%. Выход равен 80% (масс.) линта, а остальное приходится на лигнин, жиры, воски, пектаты и шелуху семян. Древесную массу делают обычно из древесины деревьев хвойных пород. Она содержит 50-60% целлюлозы, 25-35% лигнина и 10-15% гемицеллюлоз и нецеллюлозных углеводородов. В сульфитном процессе древесную щепу варят под давлением (около 0,5 МПа) при 140° C с диоксидом серы и бисульфитом кальция. При этом лигнины и углеводороды переходят в раствор и остается целлюлоза. После промывки и отбеливания очищенная масса отливается в рыхлую бумагу, похожую на промокательную, и сушится. Такая масса на 88-97% состоит из целлюлозы и вполне пригодна для химической переработки в вискозное волокно и целлофан, а также в производные целлюлозы - сложные и простые эфиры. Процесс регенерации целлюлозы из раствора при добавлении кислоты в ее концентрированный медноаммиачный (т.е. содержащий сульфат меди и гидроксид аммония) водный раствор был описан англичанином Дж.Мерсером около 1844. Но первое промышленное применение этого метода, положившее начало промышленности медно-аммиачного волокна, приписывается Е. Швейцеру (1857), а дальнейшее его развитие - заслуга М. Крамера и И. Шлоссбергера (1858). И только в 1892 Кросс, Бевин и Бидл в Англии изобрели процесс получения вискозного волокна: вязкий (откуда название вискоза) водный раствор целлюлозы получался после обработки целлюлозы сначала крепким раствором едкого натра, что давало "натронную целлюлозу", а затем - дисульфидом углерода (CS2), в результате чего получался растворимый ксантогенат целлюлозы. При выдавливании струйки этого "прядильного" раствора через фильеру с малым круглым отверстием в кислотную ванну целлюлоза регенерировалась в форме вискозного волокна. При выдавливании раствора в такую же ванну через фильеру с узкой щелью получалась пленка, названная целлофаном. Ж. Бранденбергер, занимавшийся во Франции этой технологией с 1908 по 1912, первым запатентовал непрерывный процесс изготовления целлофана.
Химическая структура. Несмотря на широкое промышленное применение целлюлозы и ее производных, принятая в настоящее время химическая структурная формула целлюлозы была предложена (У.Хоуорсом) лишь в 1934. Правда, с 1913 была известна ее эмпирическая формула C6H10O5, определенная по данным количественного анализа хорошо промытых и высушенных образцов: 44,4% C, 6,2% H и 49,4% O. Благодаря работам Г.Штаудингера и К.Фройденберга было известно также, что это длинноцепная полимерная молекула, состоящая из показанных на рис. 1 повторяющихся глюкозидных остатков. Каждое звено имеет три гидроксильные группы - одну первичную (- CH2ЧOH) и две вторичные (>CHЧOH). К 1920 Э.Фишер установил структуру простых сахаров, и в том же самом году рентгенографические исследования целлюлозы впервые показали четкую дифракционную картину ее волокон. Рентгенограмма волокна хлопка указывает на четко выраженную кристаллическую ориентацию, но волокно льна еще более упорядочено. При регенерации целлюлозы в форме волокна кристалличность в значительной мере теряется. Как нетрудно видеть в свете достижений современной науки, структурная химия целлюлозы практически стояла на месте с 1860 по 1920 по той причине, что все это время оставались в зачаточном состоянии вспомогательные научные дисциплины, необходимые для решения проблемы.

РЕГЕНЕРИРОВАННАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА
Вискозное волокно и целлофан. И вискозное волокно, и целлофан - это регенерированная (из раствора) целлюлоза. Очищенная природная целлюлоза обрабатывается избытком концентрированного гидроксида натрия; после удаления избытка ее комки растирают и полученную массу выдерживают в тщательно контролируемых условиях. При таком "старении" уменьшается длина полимерных цепей, что способствует последующему растворению. Затем измельченную целлюлозу смешивают с дисульфидом углерода и образовавшийся ксантогенат растворяют в растворе едкого натра для получения "вискозы" - вязкого раствора. Когда вискоза попадает в водный раствор кислоты, из нее регенерируется целлюлоза. Упрощенные суммарные реакции таковы:

Вискозное волокно, получаемое выдавливанием вискозы через малые отверстия фильеры в раствор кислоты, широко применяется для изготовления одежды, драпировочных и обивочных тканей, а также в технике. Значительные количества вискозного волокна идут на технические ремни, ленты, фильтры и шинный корд.
Целлофан. Целлофан, получаемый выдавливанием вискозы в кислую ванну через фильеру с узкой щелью, проходит затем через ванны промывки, отбеливания и пластификации, пропускается через сушильные барабаны и сматывается в рулон. Поверхность целлофановой пленки почти всегда покрывают нитроцеллюлозой, смолой, каким-либо воском или лаком, чтобы уменьшить пропускание паров воды и обеспечить возможность термической герметизации, так как целлофан без покрытия не обладает свойством термопластичности. На современных производствах для этого используются полимерные покрытия поливинилиденхлоридного типа, поскольку они в меньшей степени влагопроницаемы и дают более прочное соединение при термогерметизации. Целлофан широко применяется главным образом в тароупаковочном производстве как оберточный материал для галантерейных товаров, пищевых продуктов, табачных изделий, а также в качестве основы для самоклеющейся упаковочной ленты.
Вискозная губка. Наряду с получением волокна или пленки, вискозу можно смешать с подходящими волокнистыми и мелкокристаллическими материалами; после кислотной обработки и водного выщелачивания такая смесь преобразуется в вискозный губчатый материал (рис. 2), который применяется для упаковки и теплоизоляции.

Медноаммиачное волокно. Волокно из регенерированной целлюлозы производится в промышленных масштабах также путем растворения целлюлозы в концентрированном медноаммиачном растворе (CuSO4 в NH4OH) и формования из полученного раствора волокна в кислотной осадительной ванне. Такое волокно называется медноаммиачным.
СВОЙСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Химические свойства. Как показано на рис. 1, целлюлоза представляет собой высокополимерный углевод, состоящий из глюкозидных остатков C6H10O5, соединенных эфирными мостиками в положении 1,4. Три гидроксильные группы в каждом глюкопиранозном звене могут быть этерифицированы такими органическими агентами, как смесь кислот и ангидридов кислот с соответствующим катализатором, например серной кислотой. Простые эфиры могут образовываться в результате действия концентрированного гидроксида натрия, приводящего к образованию натронной целлюлозы, и последующей реакции с алкилгалогенидом:

Реакция с оксидом этилена или пропилена дает гидроксилированные простые эфиры:

Наличием этих гидроксильных групп и геометрией макромолекулы обусловлено сильное полярное взаимное притяжение соседних звеньев. Силы притяжения столь велики, что обычные растворители не в состоянии разорвать цепь и растворить целлюлозу. Эти свободные гидроксильные группы ответственны также за большую гигроскопичность целлюлозы (рис. 3). Этерификация и эфиризация понижают гигроскопичность и повышают растворимость в обычных растворителях.

Под действием водного раствора кислоты разрываются кислородные мостики в положении 1,4-. Полный разрыв цепи дает глюкозу - моносахарид. Первоначальная длина цепи зависит от происхождения целлюлозы. Она максимальна в природном состоянии и уменьшается в процессе выделения, очистки и преобразования в производные соединения (см. таблицу).

СТЕПЕНЬ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Материал Число глюкозидных остатков
Необработанный хлопок 2500-3000
Очищенный хлопковый линт 900-1000
Очищенная древесная масса 800-1000
Регенерированная целлюлоза 200-400
Промышленный ацетат целлюлозы 150-270

Даже механический сдвиг, например при абразивном размельчении, приводит к уменьшению длины цепей. При уменьшении длины полимерной цепи ниже определенного минимального значения изменяются макроскопические физические свойства целлюлозы. Окислительные агенты оказывают на целлюлозу воздействие, не вызывая расщепления глюкопиранозного кольца (рис. 4). Последующее действие (в присутствии влаги, например, при климатических испытаниях), как правило, приводит к разрыву цепи и увеличению числа альдегидоподобных концевых групп. Поскольку альдегидные группы легко окисляются до карбоксильных, содержание карбоксила, практически отсутствующего в природной целлюлозе, резко возрастает в условиях атмосферных воздействий и окисления.

Как и все полимеры, целлюлоза разрушается под воздействием атмосферных факторов в результате совместного действия кислорода, влаги, кислотных компонентов воздуха и солнечного света. Важное значение имеет ультрафиолетовая составляющая солнечного света, и многие хорошо защищающие от УФ-излучения агенты увеличивают срок службы изделий из производных целлюлозы. Кислотные компоненты воздуха, такие, как оксиды азота и серы (а они всегда присутствуют в атмосферном воздухе промышленных районов), ускоряют разложение, зачастую оказывая более сильное воздействие, чем солнечный свет. Так, в Англии было отмечено, что образцы хлопка, испытывавшиеся на воздействие атмосферных условий, зимой, когда практически не было яркого солнечного света, деградировали быстрее, чем летом. Дело в том, что сжигание зимой больших количеств угля и газа приводило к повышению в воздухе концентрации оксидов азота и серы. Кислотные поглотители, антиоксиданты и агенты, поглощающие УФ-излучение, снижают чувствительность целлюлозы к атмосферным воздействиям. Замещение свободных гидроксильных групп приводит к изменению такой чувствительности: нитрат целлюлозы деградирует быстрее, а ацетат и пропионат - медленнее.
Физические свойства. Полимерные цепи целлюлозы упакованы в длинные пучки, или волокна, в которых наряду с упорядоченными, кристаллическими имеются и менее упорядоченные, аморфные участки (рис. 5). Измеренный процент кристалличности зависит от типа целлюлозы, а также от способа измерения. По рентгеновским данным, он составляет от 70% (хлопок) до 38-40% (вискозное волокно). Рентгенографический структурный анализ дает информацию не только о количественном соотношении между кристаллическим и аморфным материалом в полимере, но и о степени ориентации волокна, вызываемой растяжением или нормальными процессами роста. Резкость дифракционных колец характеризует степень кристалличности, а дифракционные пятна и их резкость - наличие и степень предпочтительной ориентации кристаллитов. В образце вторичного ацетата целлюлозы, полученного процессом "сухого" формования, и степень кристалличности, и ориентация весьма незначительны. В образце триацетата степень кристалличности больше, но предпочтительная ориентация отсутствует. Термообработка триацетата при температуре 180-240° C заметно повышает степень его кристалличности, а ориентирование (вытягиванием) в сочетании с термообработкой дает самый упорядоченный материал. Лен обнаруживает высокую степень и кристалличности, и ориентации.
См. также
ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ ;
БУМАГА И ПРОЧИЕ ПИСЧИЕ МАТЕРИАЛЫ ;
ПЛАСТМАССЫ .

Рис. 5. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА целлюлозы. Молекулярные цепи проходят через несколько мицелл (кристаллических областей) протяженностью L. Здесь A, A" и B" - концы цепей, лежащие в кристаллизованной области; B - конец цепи вне кристаллизованной области.

ЛИТЕРАТУРА
Бушмелев В.А., Вольман Н.С. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства. М., 1974 Целлюлоза и ее производные. М., 1974 Аким Э.Л. и др. Технология обработки и переработки целлюлозы, бумаги и картона. Л., 1977

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .