Die biologische Rolle von Zellulose und Anwendungen. Zelluloseverteilung in der Natur Struktureinheit der Zellulose

Zellulose- eines der häufigsten natürlichen Polysaccharide, Hauptbestandteil und wichtigstes Strukturmaterial pflanzlicher Zellwände. Der Zellulosegehalt in den Fasern von Baumwollsamen beträgt 95–99,5 %, in Bastfasern (Flachs, Jute, Ramie) 60–85 %, in Holzgeweben (je nach Baumart, Alter, Wachstumsbedingungen) 30– 55 %, in grünen Blättern, Gras, unteren Pflanzen 10-25 %. Fast in Einzelform kommt Cellulose in Bakterien der Gattung vor Acetobacter. Begleiter der Cellulose in den Zellwänden der meisten Pflanzen sind andere strukturelle Polysaccharide, die sich in ihrer Struktur unterscheiden und als „Polysaccharide“ bezeichnet werden Hemizellulosen- Xylan, Mannan, Galactan, Araban usw. (siehe Abschnitt „Hemicellulosen“), sowie Stoffe nicht-kohlenhydratischer Natur (Lignin – ein räumliches Polymer aromatischer Struktur, Siliziumdioxid, harzige Stoffe etc.) .

Cellulose bestimmt die mechanische Festigkeit der Zellmembran und des gesamten Pflanzengewebes. Die Verteilung und Ausrichtung der Zellulosefasern bezüglich der Achse der Pflanzenzelle am Beispiel von Holz ist in Abb.1 dargestellt. Dort wird auch die Submikron-Organisation der Zellwand gezeigt.

Die Wand einer reifen Holzzelle besteht in der Regel aus Primär- und Sekundärschalen (Abb. 1). Letzteres enthält drei Schichten – äußere, mittlere und innere.

Im Primärmantel sind natürliche Zellulosefasern unregelmäßig angeordnet und bilden eine Netzstruktur ( verteilte Textur). Zellulosefasern in der Sekundärhaut sind überwiegend parallel zueinander ausgerichtet, was zu einer hohen Zugfestigkeit des Pflanzenmaterials führt. Der Polymerisationsgrad und die Kristallinität der Cellulose sind in der Sekundärschale höher als in der Primärschale.

In Schicht S 1 Sekundärschale (Abb.1, 3 ) Die Richtung der Zellulosefasern verläuft in der Schicht nahezu senkrecht zur Zellachse S 2 (Abb.1, 4 ) bilden sie einen spitzen Winkel (5-30°) mit der Zellachse. Ausrichtung der Fasern in einer Schicht S 3 variiert stark und kann sogar in benachbarten Tracheiden unterschiedlich sein. So beträgt der Winkel zwischen der vorherrschenden Ausrichtung der Zellulosefasern und der Zellachse bei Fichtentracheiden 30–60°, während er bei den Fasern der meisten Harthölzer 50–80° beträgt. Zwischen Schichten R Und S 1 , S 1 und S 2 , S 2 und S In Abb. 3 werden Übergangsbereiche (Lamellen) mit einer anderen Mikroorientierung der Fasern als in den Hauptschichten der Sekundärschale beobachtet.

Technische Zellulose ist ein faseriges Halbzeug, das durch Reinigen von Pflanzenfasern von Nichtzellulosebestandteilen gewonnen wird. Cellulose wird üblicherweise nach der Art des Ausgangsmaterials benannt ( Holz, Baumwolle), Methode zur Gewinnung aus Holz ( Sulfit, Sulfat), sowie nach Vereinbarung ( Viskose, Acetat usw.).

Quittung

1.Zellstofftechnologie umfasst die folgenden Vorgänge: Entfernen der Rinde vom Holz (Bellen); Gewinnung von Hackschnitzeln; Kochspäne (in der Industrie wird nach der Sulfat- oder Sulfitmethode gekocht); Sortierung; Bleichen; Trocknen; Schneiden.

Sulfit-Methode. Fichtenholz wird mit einer wässrigen Lösung von Calcium-, Magnesium-, Natrium- oder Ammoniumbisulfit behandelt, dann wird die Temperatur innerhalb von 1,5–4 Stunden auf 105–110 °C erhöht und 1–2 Stunden bei dieser Temperatur gekocht. Dann die Temperatur auf 135–150 °C erhöhen und 1–4 Stunden kochen lassen. In diesem Fall werden alle nichtzellulosehaltigen Bestandteile des Holzes (hauptsächlich Lignin und Hemizellulose) löslich und es bleibt verholzte Zellulose zurück.

Sulfat-Methode. Späne aller Holzarten (sowie Schilf) werden mit Kochlauge behandelt, einer wässrigen Lösung aus Natriumhydroxid und Natriumsulfid (NaOH + Na 2 S). Erhöhen Sie die Temperatur innerhalb von 2–3 Stunden auf 165–180 °C und garen Sie bei dieser Temperatur 1–4 Stunden lang. In einen löslichen Zustand überführt, werden Nicht-Cellulosebestandteile aus der Reaktionsmischung entfernt und es bleibt von Verunreinigungen gereinigte Cellulose zurück.

2.Baumwollzellulose gewonnen aus Baumwollflusen. Produktionstechnologie umfasst mechanische Reinigung, alkalisches Auflösen (in 1–4 %iger wässriger NaOH-Lösung bei einer Temperatur von 130–170 °C) und Bleichen. Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Baumwollzellulosefasern sind in Abb. 2 dargestellt.

3. Bakterienzellulose von Bakterien der Gattung synthetisiert Acetobacter. Die resultierende Bakterienzellulose hat ein hohes Molekulargewicht und eine enge Molekulargewichtsverteilung.

Die enge Molekulargewichtsverteilung wird wie folgt erklärt. Da Kohlenhydrate gleichmäßig in die Bakterienzelle gelangen, nimmt die durchschnittliche Länge der resultierenden Zellulosefasern mit der Zeit proportional zu. In diesem Fall kommt es nicht zu einer merklichen Vergrößerung der Querabmessungen der Mikrofasern (Mikrofibrillen). Die durchschnittliche Wachstumsrate bakterieller Zellulosefasern beträgt ~0,1 µm/min, was der Polymerisation von 10 7 -10 8 Glucoseresten pro Stunde und Bakterienzelle entspricht. Folglich verbinden sich in jeder Bakterienzelle durchschnittlich 10 3 Glucocopyranose-Verbindungen pro Sekunde mit den wachsenden Enden unlöslicher Zellulosefasern.

Mikrofasern aus bakterieller Zellulose wachsen von beiden Enden der Fibrille zu beiden Enden mit der gleichen Geschwindigkeit. Makromolekulare Ketten innerhalb von Mikrofibrillen sind antiparallel. Für andere Zellulosearten liegen solche Daten nicht vor. Eine elektronenmikroskopische Aufnahme bakterieller Zellulosefasern ist in Abb. 3 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Fasern ungefähr die gleiche Länge und Querschnittsfläche haben.

Cellulose (Ballaststoff) ist ein pflanzliches Polysaccharid, die häufigste organische Substanz auf der Erde.

1. Physikalische Eigenschaften

Diese Substanz ist weiß, geschmacks- und geruchlos, wasserunlöslich und hat eine faserige Struktur. Es löst sich in einer Ammoniaklösung von Kupfer(II)-hydroxid – Schweitzers Reagenz.

Videoexperiment „Auflösung von Cellulose in einer Ammoniaklösung von Kupfer(II)-hydroxid“

2. In der Natur sein

Dieses Biopolymer verfügt über eine hohe mechanische Festigkeit und fungiert als Stützmaterial für Pflanzen, indem es die Wand von Pflanzenzellen bildet. Eine große Menge Zellulose kommt in Holzgeweben (40–55 %), in Flachsfasern (60–85 %) und Baumwolle (95–98 %) vor. Der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellmembran. Wird in Pflanzen bei der Photosynthese gebildet.

Holz besteht zu 50 % aus Zellulose, Baumwolle und Leinen sowie Hanf bestehen nahezu aus reiner Zellulose.

Chitin (ein Analogon von Zellulose) ist der Hauptbestandteil des Außenskeletts von Arthropoden und anderen Wirbellosen sowie in den Zellwänden von Pilzen und Bakterien.

3. Struktur

Besteht aus β-Glucose-Resten

4. Quittung

Aus Holz gewonnen

5. Bewerbung

Zellulose wird bei der Herstellung von Papier, Kunstfasern, Folien, Kunststoffen, Farben und Lacken, rauchfreiem Pulver, Sprengstoffen, festem Raketentreibstoff, zur Herstellung von hydrolytischem Alkohol usw. verwendet.

· Gewinnung von Acetatseide – Kunstfaser, Plexiglas, nicht brennbarer Film aus Zelluloseacetat.

Gewinnung von rauchfreiem Pulver aus Triacetylcellulose (Pyroxylin).

· Gewinnung von Kollodium (dichte Folie für die Medizin) und Zelluloid (Herstellung von Folien, Spielzeug) aus Diacetylcellulose.

· Herstellung von Fäden, Seilen, Papier.

Gewinnung von Glukose, Ethylalkohol (zur Gummiherstellung)

Die wichtigsten Cellulosederivate sind:
- Methylcellulose(Cellulosemethylether) der allgemeinen Formel

N( X= 1, 2 oder 3);

- Celluloseacetat(Cellulosetriacetat) – ein Ester aus Cellulose und Essigsäure

- Nitrozellulose(Cellulosenitrat) - Cellulosenitratester:

N( X= 1, 2 oder 3).

6. Chemische Eigenschaften

Hydrolyse

(C 6 H 10 O 5) n + nH 2 O t,H2SO4→ nC 6 H 12 O 6

Glucose

Die Hydrolyse verläuft in Schritten:

(C 6 H 10 O 5) n → (C 6 H 10 O 5) m → xC 12 H 22 O 11 → n C 6 H 12 O 6 ( Notiz, M

Stärke Dextrinymaltoseglucose

Videoerlebnis „Saure Hydrolyse von Cellulose“

Veresterungsreaktionen

Cellulose ist ein mehrwertiger Alkohol; pro Elementarzelle des Polymers gibt es drei Hydroxylgruppen. In dieser Hinsicht zeichnet sich Cellulose durch Veresterungsreaktionen (Esterbildung) aus. Von größter praktischer Bedeutung sind Reaktionen mit Salpetersäure und Essigsäureanhydrid. Cellulose führt nicht zu einer „Silberspiegel“-Reaktion.

1. Nitrierung:

(C 6 H 7 O 2 (OH) 3) n + 3 nHNO 3 H 2 ALSO4(konz.)→(C 6 H 7 O 2 (ONO 2 ) 3) n + 3 nH 2 O

Pyroxylin

Videoerlebnis „Gewinnung und Eigenschaften von Nitrozellulose“

Vollständig veresterte Ballaststoffe werden als Pyroxylin bezeichnet und verwandeln sich nach entsprechender Verarbeitung in rauchfreies Pulver. Abhängig von den Nitrierungsbedingungen kann Cellulosedinitrat gewonnen werden, das in der Technik als Kolloxylin bezeichnet wird. Es wird auch bei der Herstellung von Schießpulver und Festtreibstoffen verwendet. Darüber hinaus wird Zelluloid auf Basis von Kolloxylin hergestellt.

2. Wechselwirkung mit Essigsäure:

(C 6 H 7 O 2 (OH) 3) n + 3nCH 3 COOH H2SO4( Konz .)→ (C 6 H 7 O 2 (OCOCH 3) 3) n + 3nH 2 O

Wenn Cellulose mit Essigsäureanhydrid in Gegenwart von Essig- und Schwefelsäure reagiert, entsteht Triacetylcellulose.

Triacetylcellulose (oder Celluloseacetat) ist ein wertvolles Produkt zur Herstellung von unbrennbaren Folien undAcetatseide. Dazu wird Celluloseacetat in einer Mischung aus Dichlormethan und Ethanol gelöst und diese Lösung durch Spinndüsen in einen warmen Luftstrom gedrückt.

Und der Würfel selbst sieht schematisch so aus:

1 - Spinnlösung,
2 - sterben,
3 - Fasern.

Das Lösungsmittel verdampft und die Lösungsströme verwandeln sich in feinste Fäden aus Acetatseide.

Wenn man über die Verwendung von Zellulose spricht, kann man nicht umhin zu sagen, dass für die Herstellung verschiedener Papiere große Mengen Zellulose verbraucht werden. Papier- Dies ist eine dünne Schicht aus Faserfasern, die auf einer speziellen Papiermaschine verklebt und gepresst wird.

Natürliche Zellulose oder Ballaststoffe sind der Hauptstoff, aus dem die Wände pflanzlicher Zellen aufgebaut sind. Daher dienen pflanzliche Rohstoffe verschiedener Art als einzige Quelle für die Zelluloseproduktion. Cellulose ist ein natürliches Polysaccharid, dessen lineare kettenartige Makromoleküle aus Elementareinheiten von ?-D-Anhydroglucopyranose aufgebaut sind, die durch 1–4 glucosidische Bindungen miteinander verbunden sind. Die empirische Formel von Cellulose lautet (C6H10O5)u, wobei n der Polymerisationsgrad ist.

Jede Elementareinheit der Cellulose, mit Ausnahme der Endeinheiten, enthält drei Alkoholhydroxylgruppen. Daher wird die Celluloseformel oft als [C6H7O2(OH)3] dargestellt. An einem Ende des Cellulosemakromoleküls befindet sich eine Bindung mit einer zusätzlichen sekundären Alkoholhydrolyse am 4. Kohlenstoffatom, am anderen Ende befindet sich eine Bindung mit einer freien glucosidischen (Halbacetal-)Hydroxylgruppe am 1. Kohlenstoffatom. Dieser Link verleiht Cellulose regenerierende (reduzierende) Eigenschaften.

Der Polymerisationsgrad (DP) von natürlicher Holzzellulose liegt im Bereich von 6000–14000. DP charakterisiert die Länge linearer Zellulosemakromoleküle und bestimmt daher jene Eigenschaften von Zellulose, die von der Länge der Zelluloseketten abhängen. Jede Celluloseprobe besteht aus Makromolekülen unterschiedlicher Länge, ist also polydispers. Daher stellt der DP normalerweise den durchschnittlichen Polymerisationsgrad dar. Der SP von Cellulose steht im Verhältnis zum Molekulargewicht durch das Verhältnis SP = M/162, wobei 162 das Molekulargewicht der Elementareinheit der Cellulose ist. In Naturfasern (Zellmembranen) werden lineare, kettenartige Makromoleküle der Cellulose durch Wasserstoff und intermolekulare Bindungskräfte zu Mikrofibrillen unbegrenzter Länge mit einem Durchmesser von etwa 3,5 nm verbunden. Jede Mikrofibrille enthält eine große Anzahl (ungefähr 100–200) Zelluloseketten, die entlang der Achse der Mikrofibrille angeordnet sind. Spiralförmig angeordnete Mikrofibrillen bilden Aggregate aus mehreren Mikrofibrillen – Fibrillen oder Stränge mit einem Durchmesser von etwa 150 nm, aus denen die Zellwandschichten aufgebaut sind.

Abhängig von der Art der Verarbeitung pflanzlicher Rohstoffe während des Kochprozesses ist es möglich, Produkte mit unterschiedlichen Ausbeuten zu erhalten, die durch das Verhältnis der Masse des erhaltenen Halbzeugs zur Masse der anfänglichen pflanzlichen Rohstoffe (%) bestimmt werden. ). Als Semizellulose wird ein Produkt mit einer Ausbeute von -80 bis 60 % der Rohstoffmasse bezeichnet, das sich durch einen hohen Ligningehalt (15-20 %) auszeichnet. Das Lignin der Zwischenzellsubstanz in der Hemizellulose löst sich beim Kochvorgang nicht vollständig auf (ein Teil davon verbleibt in der Hemizellulose); Die Fasern sind noch so stark miteinander verbunden, dass sie durch mechanisches Mahlen getrennt und in eine faserige Masse umgewandelt werden müssen. Ein Produkt mit einer Ausbeute von 60 bis 50 % wird als High Yield Cellulose (HPV) bezeichnet. CVV wird ohne mechanische Raffinierung durch Waschen mit einem Wasserstrahl zerfasert, enthält aber immer noch eine erhebliche Menge Restlignin in den Zellwänden. Ein Produkt mit einer Ausbeute von 50 bis 40 % wird als Normalausbeute-Cellulose bezeichnet, die je nach Delignifizierungsgrad, der den Anteil an Restlignin in den Faserwänden charakterisiert, in harte Cellulose (3-8 % Lignin), mittel unterteilt wird -harte Zellulose (1,3-3 % Lignin) und weiche (weniger als 1,5 % Lignin).

Durch das Kochen pflanzlicher Rohstoffe entsteht ungebleichter Zellstoff, ein Produkt mit relativ geringem Weißgrad, das noch mehr Holzbestandteile als Begleiter des Zellstoffs enthält. Die Freisetzung aus ihnen durch Fortsetzung des Kochprozesses ist mit einer erheblichen Zerstörung der Zellulose und in der Folge mit einer Verringerung der Ausbeute und einer Verschlechterung ihrer Eigenschaften verbunden. Um Zellstoff mit hohem Weißgrad zu erhalten – gebleichter Zellstoff, der am meisten von Lignin und Extraktstoffen befreit ist – wird technischer Zellstoff einer Bleiche mit chemischen Bleichmitteln unterzogen. Für eine vollständigere Entfernung von Hemicellulosen wird die Cellulose einer zusätzlichen alkalischen Behandlung (Raffinierung) unterzogen, was zu einer verbesserten Cellulose führt. Die Veredelung wird in der Regel mit dem Bleichprozess kombiniert. Bleichen und Raffinieren werden überwiegend für Weichzellstoff und Zellstoff mittlerer Härte eingesetzt, die sowohl für die Papierherstellung als auch für die chemische Verarbeitung bestimmt sind.)

Halbzellstoff, CVV, ungebleichter Zellstoff mit normaler Ausbeute, gebleichter, halbgebleichter und dekontaminierter Zellstoff sind faserige Halbzeuge, die häufig bei der Herstellung einer Vielzahl von Papier- und Kartonsorten verwendet werden. Etwa 93 % der weltweit produzierten Zellulose werden für diese Zwecke verarbeitet. Der Rest der Zellulose dient als Rohstoff für die chemische Verarbeitung.

Zur Charakterisierung der Eigenschaften und Qualität von technischem Zellstoff, die seinen Verbraucherwert bestimmen, werden verschiedene Indikatoren verwendet. Betrachten wir die wichtigsten davon.

Der Gehalt an Pentosanen in Sulfitzellulosen liegt zwischen 4 und 7 %, in Sulfatzellulosen mit dem gleichen Delignifizierungsgrad bei 10–11 %. Das Vorhandensein von Pentosanen in Zellulose trägt dazu bei, deren mechanische Festigkeit zu erhöhen, die Leimung und Mahlbarkeit zu verbessern, sodass sich ihre vollständigere Konservierung in Zellulose für die Herstellung von Papier und Pappe positiv auf die Produktqualität auswirkt. In Zellulose für die chemische Verarbeitung sind Pentosane eine unerwünschte Verunreinigung.

Der Harzgehalt in Sulfit-Nadelholzzellstoff ist hoch und erreicht 1–1,5 %, da Sulfit-Kochsäure die harzigen Substanzen des Holzes nicht auflöst. Alkalische Aufschlusslösungen lösen Harze auf, daher ist ihr Gehalt im Zellstoff alkalischer Aufschlüsse gering und beträgt 0,2–0,3 %. Der hohe Harzgehalt des Zellstoffs, insbesondere das sogenannte „schädliche Harz“, führt bei der Papierherstellung zu Problemen durch klebrige Harzablagerungen auf den Anlagen.

Die Kupferzahl charakterisiert den Grad des Abbaus von Zellulose beim Kochen, Bleichen und Raffinieren. Am Ende jedes Cellulosemoleküls befindet sich eine Aldehydgruppe, die Salze von Kupferoxid zu Kupferoxid reduzieren kann, und je mehr Cellulose abgebaut wird, desto mehr Kupfer kann durch 100 g Cellulose, gemessen an der absoluten Trockenmasse, wiederhergestellt werden. Kupferoxid wird in metallisches Kupfer umgewandelt und in Gramm ausgedrückt. Bei weichen Zellstoffen ist die Kupferzahl höher als bei harten Zellstoffen. Alkalisches Zellulosekochen hat eine niedrige Kupferzahl von etwa 1,0 und Sulfit von 1,5 bis 2,5. Durch Bleichen und Raffinieren wird die Kupferzahl deutlich gesenkt.

Der Polymerisationsgrad (DP) wird durch Messung der Viskosität von Celluloselösungen mit der viskometrischen Methode bestimmt. Technische Cellulose ist heterogen und eine Mischung hochmolekularer Fraktionen mit unterschiedlichem SP. Das ermittelte Joint Venture drückt die durchschnittliche Länge der Celluloseketten aus und liegt für technische Zellstoffe im Bereich von 4000–5500.

Die mechanischen Festigkeitseigenschaften von Zellulose werden nach einer Vermahlung auf einen Mahlgrad von 60 °C geprüft. SR. Die am häufigsten ermittelte Reiß-, Bruch-, Stanz- und Reißfestigkeit. Abhängig von der Art des Rohstoffs, der Produktionsmethode, der Verarbeitungsart und anderen Faktoren können die aufgeführten Indikatoren in einem sehr weiten Bereich variieren. Papierbildende Eigenschaften sind eine Reihe von Eigenschaften, die das Erreichen der erforderlichen Qualität des hergestellten Papiers bestimmen und durch eine Reihe verschiedener Indikatoren charakterisiert werden, beispielsweise das Verhalten des Fasermaterials in den technologischen Prozessen der Papierherstellung daraus, seinen Einfluss auf die Eigenschaften des resultierenden Papierbreis und des fertigen Papiers.

Die Unkrautigkeit von Zellulose wird durch Zählen der Flecken auf beiden Seiten einer angefeuchteten Probe einer Zellulosemappe bestimmt, wenn diese mit einer Lichtquelle einer bestimmten Stärke durchscheinend ist, und wird als Anzahl der Flecken bezogen auf 1 und 1 Oberfläche ausgedrückt. Beispielsweise kann der durch die Normen zulässige Partikelgehalt für verschiedene gebleichte Zellstoffe zwischen 160 und 450 Stück pro 1 m2 und für ungebleichte Zellstoffe zwischen 2000 und 4000 Stück liegen.

Technischer ungebleichter Zellstoff eignet sich für die Herstellung vieler Arten von Produkten – Zeitungs- und Sackpapier, Karton usw. Um Schreib- und Druckpapiere höchster Qualität zu erhalten, bei denen ein erhöhter Weißgrad erforderlich ist, wird mittelharter und weicher Zellstoff verwendet wird mit chemischen Reagenzien wie Chlor, Chlordioxid, Calcium- oder Natriumhypochlorit und Wasserstoffperoxid gebleicht.

Speziell gereinigte (raffinierte) Zellulose mit 92–97 % Alpha-Zellulose (d. h. einem Zelluloseanteil, der in einer 17,5 %igen wässrigen Lösung von Natriumhydroxid unlöslich ist) wird zur Herstellung von Chemiefasern, einschließlich Viskoseseide und hochfester Viskosekordel, verwendet Faser zur Herstellung von Autoreifen.

Die uns vertraut gewordenen Alltagsgegenstände, die in unserem täglichen Leben allgegenwärtig sind, wären ohne den Einsatz von Produkten der organischen Chemie nicht vorstellbar. Lange vor Anselm Payat, wodurch er 1838 das Polysaccharid entdecken und beschreiben konnte, das „Cellulose“ (ein Derivat der französischen Cellulose und des lateinischen Cellula, was „Zelle, Zelle“ bedeutet) erhielt, die Eigenschaft von Dieser Stoff wurde aktiv bei der Herstellung der unersetzlichsten Dinge eingesetzt.

Die Erweiterung des Wissens über Zellulose hat zur Entstehung einer Vielzahl von Produkten geführt, die auf ihrer Basis hergestellt werden. Papier verschiedener Qualitäten, Pappe, Teile aus Kunststoff und künstlicher Viskose, Kupfer-Ammoniak), Polymerfolien, Emaillen und Lacke, Reinigungsmittel, Lebensmittelzusatzstoffe (E460) und sogar rauchfreies Pulver sind Produkte der Herstellung und Verarbeitung von Zellulose.

In reiner Form ist Cellulose ein weißer Feststoff mit recht attraktiven Eigenschaften, der eine hohe Beständigkeit gegenüber verschiedenen chemischen und physikalischen Einflüssen aufweist.

Die Natur hat Zellulose (Faser) als Hauptbaustoff gewählt. In der Pflanzenwelt bildet es die Grundlage für Bäume und andere höhere Pflanzen. Zellulose kommt in der Natur in reinster Form in den Haaren von Baumwollsamen vor.

Die einzigartigen Eigenschaften dieser Substanz werden durch ihre ursprüngliche Struktur bestimmt. Die Celluloseformel hat einen gemeinsamen Datensatz (C6 H10 O5) n, aus dem wir eine ausgeprägte Polymerstruktur erkennen können. Der sich sehr oft wiederholende β-Glucose-Rest hat eine ausgedehntere Form als -[C6 H7 O2 (OH) 3]- und verbindet sich zu einem langen linearen Molekül.

Die Molekularformel der Cellulose bestimmt ihre einzigartigen chemischen Eigenschaften, um den Auswirkungen aggressiver Umgebungen standzuhalten. Außerdem weist Zellulose eine hohe Hitzebeständigkeit auf, selbst bei 200 Grad Celsius behält der Stoff seine Struktur und zerfällt nicht. Bei einer Temperatur von 420 °C kommt es zur Selbstentzündung.

Zellulose ist aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften nicht weniger attraktiv. Cellulose in Form langer Filamente mit 300 bis 10.000 Glucoseresten ohne Seitenzweige bestimmt maßgeblich die hohe Stabilität dieser Substanz. Die Glukoseformel zeigt, wie viele Zellulosefasern nicht nur eine große mechanische Festigkeit, sondern auch eine hohe Elastizität verleihen. Das Ergebnis der analytischen Verarbeitung vieler chemischer Experimente und Studien war die Erstellung eines Modells des Cellulose-Makromoleküls. Es handelt sich um eine starre Helix mit einer Stufe von 2-3 Elementarbindungen, die durch intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert wird.

Nicht die Formel der Cellulose, sondern der Grad ihrer Polymerisation ist für viele Stoffe das Hauptmerkmal. So erreicht die Zahl der Glukosidrückstände in unbehandelter Baumwolle 2500–3000, in gereinigter Baumwolle 900–1000, gereinigter Holzzellstoff hat einen Indikator von 800–1000, in regenerativer Zellulose ist ihre Zahl auf 200–400 reduziert und in Industriebaumwolle Celluloseacetat umfasst 150 bis 270 „Verbindungen“ in einem Molekül.

Das Hauptprodukt für die Zelluloseproduktion ist Holz. Der wichtigste technologische Produktionsprozess umfasst das Kochen von Holzspänen mit verschiedenen Chemikalien, gefolgt vom Reinigen, Trocknen und Schneiden des fertigen Produkts.

Die anschließende Verarbeitung von Zellulose ermöglicht die Gewinnung vielfältiger Materialien mit gewünschten physikalischen und chemischen Eigenschaften, die die Herstellung verschiedenster Produkte ermöglichen, ohne die das Leben eines modernen Menschen kaum noch vorstellbar ist. Die einzigartige Zelluloseformel, korrigiert durch chemische und physikalische Verarbeitung, wurde zur Grundlage für die Gewinnung von Materialien, die in der Natur keine Analoga haben, was ihnen eine breite Verwendung in der chemischen Industrie, der Medizin und anderen Bereichen der menschlichen Tätigkeit ermöglichte.

Chemische Struktur von Cellulose

O.A. Noskova, M.S. Fedoseev

Chemie des Holzes

und synthetische Polymere

TEIL 2

Genehmigt

Redaktions- und Verlagsrat der Universität

als Vorlesungsskript

Verlag

Staatliche Technische Universität Perm

Rezensenten:

cand. Technik. Wissenschaften DR. Nagimov

(CJSC „Karbokam“);

cand. Technik. Wissenschaften, Prof. F.H. Khakimova

(Staatliche Technische Universität Perm)

Noskova, O.A.

H84 Chemie von Holz und synthetischen Polymeren: Vorlesungsskript: in 2 Stunden / O.A. Noskova, M.S. Fedoseev. - Perm: Verlag von Perm. Zustand Technik. un-ta, 2007. - Teil 2. - 53 S.

ISBN 978-5-88151-795-3

Es werden Informationen über die chemische Struktur und die Eigenschaften der Hauptbestandteile von Holz (Zellulose, Hemizellulose, Lignin und Extraktstoffe) gegeben. Berücksichtigt werden die chemischen Reaktionen dieser Komponenten, die bei der chemischen Verarbeitung von Holz oder bei der chemischen Modifikation von Zellulose auftreten. Außerdem werden allgemeine Informationen zu den Garvorgängen gegeben.

Konzipiert für Studierende der Fachrichtung 240406 „Technologie der chemischen Holzverarbeitung“.

UDC 630 * 813. + 541,6 + 547.458,8

ISBN 978-5-88151-795-3 © GOU VPO

„Staat Perm

Technische Universität“, 2007

Einführung………………………………………………………………………… ...…5 1. Chemie der Cellulose………………………………………………………….. .......6 1.1. Chemische Struktur von Cellulose………………………………….. .…..6 1.2. Chemische Reaktionen von Zellulose…………………………………..... .…...8 1.3. Die Wirkung von Alkalilösungen auf Cellulose………………………… .....10 1.3.1. Alkalische Cellulose…………………………………………. .…10 1.3.2. Quellung und Löslichkeit technischer Cellulose in alkalischen Lösungen…………………………………………………... .…11 1.4. Oxidation von Zellulose………………………………………………….. .…13 1.4.1. Allgemeine Informationen zur Oxidation von Cellulose. Hydroxyzellulose… .…13 1.4.2. Die Hauptrichtungen oxidativer Reaktionen…………… .…14 1.4.3. Eigenschaften von Hydroxycellulose……………………………………... .…15 1.5. Celluloseester…………………………………………. .…15 1.5.1. Allgemeine Informationen zur Herstellung von Celluloseestern. .…15 1.5.2. Cellulosenitrate…………………………………………… .…16 1.5.3. Cellulosexanthate……………………………………….. .…17 1.5.4. Celluloseacetate…………………………………………… .…19 1.6. Celluloseether……………………………………………... .…20 2. Chemie der Hemicellulosen……………………………………………………… .…21 2.1. Allgemeine Konzepte von Hemizellulosen und ihren Eigenschaften…………………. .…21 .2.2. Pentosane…………………………………………………………….. .…22 2.3. Hexosaner………………………………………………………………… .....23 2.4. Uronsäuren……………………………………………………. .…25 2.5. Pektinstoffe………………………………………………… .…25 2.6. Hydrolyse von Polysacchariden……………………………………………….. .…26 2.6.1. Allgemeine Konzepte der Hydrolyse von Polysacchariden…………………. .…26 2.6.2. Hydrolyse von Holzpolysacchariden mit verdünnten Mineralsäuren……………………………………………….. …27 2.6.3. Hydrolyse von Holzpolysacchariden mit konzentrierten Mineralsäuren…………………………………………………. ...28 3. Chemie von Lignin……………………………………………………………….. ...29 3.1. Struktureinheiten von Lignin………………………………………. …29 3.2. Lignin-Extraktionsmethoden…………………………………………… …30 3.3. Die chemische Struktur von Lignin…………………………………………… …32 3.3.1. Funktionelle Gruppen von Lignin……...………….……………..32 3.3.2. Die wichtigsten Bindungsarten zwischen den Struktureinheiten von Lignin…………………………………………………………………....35 3.4. Chemische Bindungen von Lignin mit Polysacchariden……………………….. ..36 3.5. Chemische Reaktionen von Lignin………………………………………….. ....39 3.5.1. Allgemeine Eigenschaften der chemischen Reaktionen von Lignin……….. ..39 3.5.2. Reaktionen elementarer Einheiten…………………………………… ..40 3.5.3. Makromolekulare Reaktionen………………………………….. ..42 4. Extraktive Stoffe…………………………………………………… ..47 4.1. Allgemeine Informationen………………………………………………………… ..47 4.2. Klassifizierung von extraktiven Stoffen……………………………… ..48 4.3. Hydrophobe Extraktstoffe…………………………………. ..48 4.4. Hydrophile Extraktstoffe………………………………… ..50 5. Allgemeine Konzepte von Kochprozessen…………………………………. ..51 Bibliografische Liste…………………………………………………. ..53

Einführung

Die Holzchemie ist ein Zweig der technischen Chemie, der die chemische Zusammensetzung von Holz untersucht; die Chemie der Bildung, Struktur und chemischen Eigenschaften der Substanzen, aus denen das tote Holzgewebe besteht; Methoden zur Isolierung und Analyse dieser Stoffe sowie die chemische Natur natürlicher und technologischer Prozesse zur Verarbeitung von Holz und seinen einzelnen Bestandteilen.

Im ersten Teil des 2002 erschienenen Vorlesungsskripts „Chemie von Holz und synthetischen Polymeren“ werden Fragen zur Anatomie von Holz, zum Aufbau der Zellwand, zur chemischen Zusammensetzung von Holz sowie zu den physikalischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften von Holz behandelt Holz werden berücksichtigt.

Der zweite Teil des Vorlesungsskripts „Chemie des Holzes und synthetischer Polymere“ befasst sich mit Fragestellungen im Zusammenhang mit der chemischen Struktur und den Eigenschaften der Hauptbestandteile von Holz (Zellulose, Hemizellulose, Lignin).

Das Skript gibt allgemeine Informationen zu den Kochvorgängen, d.h. zur Herstellung von technischem Zellstoff, der bei der Herstellung von Papier und Karton verwendet wird. Durch chemische Umwandlungen technischer Zellulose werden deren Derivate gewonnen – Ether und Ester, aus denen Kunstfasern (Viskose, Acetat), Folien (Film, Foto, Verpackungsfolien), Kunststoffe, Lacke, Klebstoffe hergestellt werden. In diesem Teil der Zusammenfassung wird auch kurz auf die Herstellung und die Eigenschaften von Celluloseethern eingegangen, die in der Industrie weit verbreitet sind.

Chemie der Cellulose

Chemische Struktur von Cellulose

Cellulose ist eines der wichtigsten natürlichen Polymere. Es ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Gewebe. Natürliche Zellulose kommt in großen Mengen in Baumwolle, Flachs und anderen Faserpflanzen vor, aus denen natürliche textile Zellulosefasern gewonnen werden. Baumwollfasern bestehen nahezu aus reiner Zellulose (95–99 %). Eine wichtigere Quelle für die industrielle Produktion von Zellulose (technischer Zellulose) sind Holzpflanzen. Im Holz verschiedener Baumarten beträgt der Massenanteil an Zellulose durchschnittlich 40–50 %.

Cellulose ist ein Polysaccharid, dessen Makromoleküle aus Resten aufgebaut sind D-Glucose (Links β -D-Anhydroglucopyranose), verbunden durch β-glykosidische Bindungen 1–4:

nicht reduzierender Link reduzierende Verbindung

Cellulose ist ein lineares Homopolymer (Homopolysaccharid), das zu den Heterokettenpolymeren (Polyacetalen) gehört. Es handelt sich um ein stereoreguläres Polymer, in dessen Kette ein Cellobiose-Rest als stereorepetitives Glied dient. Die Gesamtformel von Cellulose kann dargestellt werden (C 6 H 10 O 5) P oder [C 6 H 7 O 2 (OH) 3] P. Jede Monomereinheit enthält drei Alkoholhydroxylgruppen, von denen eine primär -CH 2 OH und zwei (an C 2 und C 3) sekundär -CHOH - sind.

Die Endglieder unterscheiden sich von den übrigen Kettengliedern. Eine terminale Bindung (bedingt rechts - nicht reduzierend) weist eine zusätzliche freie sekundäre Alkoholhydroxylgruppe (an C 4) auf. Die andere Endverbindung (bedingt links - reduzierend) enthält ein freies glykosidisches (Halbacetal-)Hydroxid (an C 1). ) und kann daher in zwei tautomeren Formen existieren – zyklisch (Coluacetal) und offen (Aldehyd):

Reduktionseinheit in offener Aldehydform reduzierende Verbindung in zyklischer Form

Die endständige Aldehydgruppe verleiht Cellulose eine reduzierende (wiederherstellende) Fähigkeit. Zellulose kann beispielsweise Kupfer von Cu 2+ zu Cu + reduzieren:

Menge des zurückgewonnenen Kupfers ( Kupferzahl) dient als qualitatives Merkmal der Länge von Celluloseketten und zeigt deren Grad des oxidativen und hydrolytischen Abbaus an.

Natürliche Zellulose hat einen hohen Polymerisationsgrad (DP): Holz – 5.000–10.000 und höher, Baumwolle – 14.000–20.000. Bei der Isolierung aus Pflanzengewebe wird Cellulose teilweise zerstört. Technischer Zellstoff hat einen SP von etwa 1000–2000. Der SP von Cellulose wird hauptsächlich durch die viskometrische Methode bestimmt, wobei einige komplexe Basen als Lösungsmittel verwendet werden: Kupferammoniakreagens (OH) 2, Cupriethylendiamin (OH) 2, Cadmiumethylendiamin (Cadoxen) (OH) 2 usw.

Aus Pflanzen isolierte Cellulose ist immer polydispers; enthält Makromoleküle unterschiedlicher Länge. Der Grad der Cellulose-Polydispersität (molekulare Heterogenität) wird durch Fraktionierungsverfahren bestimmt, d. h. Auftrennung der Celluloseprobe in Fraktionen mit einem bestimmten Molekulargewicht. Die Eigenschaften einer Celluloseprobe (mechanische Festigkeit, Löslichkeit) hängen vom durchschnittlichen SP und dem Grad der Polydispersität ab.



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