Способ получения порошкообразного целлюлозного материала

 

Использование: производство порошкообразного целлюлозного материала. Сущность изобретения: целлюлозосодержащее сырье пропитывают при жидкостном модуле 1 (0,2 1,0) при перемешивании со скоростью сдвига слоев сырья 10...1000^-1 в течение 1 10 мин. При этом используют 0,5 5%-ный раствор NaHSO₄ в воде или 0,02 0,5 н раствор HCI в воде или спирте алифатического ряда с числом атомов углерода 2 4. 1 табл.

Изобретение относится к производству порошкообразного материала из целлюлозосодержащего сырья.

Порошковая форма целлюлозы широко используется в качестве экологически чистого инертного наполнителя в пищевой и фармацевтической промышленности, косметике, производстве высококачественных композиционных материалов (фильтры, сорбенты, нетканые материалы, изделия для стройиндустрии и др.), а также компонента смазочных масел в металлургии. Широкий спектр применения порошкообразной целлюлозы обусловлен как свойствами, наследуемыми от исходного целлюлозного сырья (высокие значения удельной внутренней поверхности, сорбционной способности, водоудержания), так и свойствами, приобретаемыми в процессе ее переработки. К таким характеристикам относят в основном размер частиц (5-150 мкм) и степень полимеризации (СП) основного компонента целлюлозных материалов α-целлюлозы (100-300). В качестве целлюлозосодержащего сырья используют хлопковое волокно, древесную сульфитную и сульфатную целлюлозу, отходы бумажного и вискозного производства, хлопкоочистительной и текстильной промышленности, стебли растений.

Известен способ получения порошкообразного целлюлозного материала путем сухого измельчения под воздействием напряжения сдвига при температуре 20-80^оС.

Размер частиц получаемого порошка составляет 10-200 мкм, а СП, значения которой заметно не снижаются после такой обработки, находится в пределах 500-800.

Порошкообразный материал с указанными характеристиками не образует устойчивые гели, а потому имеет весьма узкую сферу применения и используется в настоящее время как полуфабрикат при получении простых эфиров целлюлозы и компонент обмазки сварочных электродов.

Наиболее широк спектр применения порошкообразных целлюлозных материалов со значениями СП α-целлюлозы менее 300, которые получают в процессе кислого или щелочного гидролиза целлюлозосодержащего сырья.

Так, в качестве гидролизующего агента используют, например, кислоты Льюиса.

Однако предложенный способ трудно реализовать при промышленном получении порошкообразного материала ввиду трудоемкости процесса регенерации гидролизующего агента (AlCl₃, SnCl₄, SbCl₅ и др.), громоздкой технологической схемы, высоких требований к обеспечению экологических условий производства. Отмеченные недостатки присущи также способам, в которых проведение гидролиза предлагается осуществлять в растворах органических кислот или растворителей в виде алифатических и ароматических углеводородов, а также с использованием хлористого водорода с добавками окислов азота или перекиси хлора.

Более предпочтительным для гидролиза целлюлозосодержащего сырья является применение разбавленных водных или спиртовых растворов неорганических кислот [1, 2] Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является способ получения порошкообразного целлюлозного материала путем пропитки целлюлозосодержащего сырья растворами минеральной кислоты или соли и высокотемпературного гидролиза [3] Однако в этом способе необходимо использовать большое количество кислоты с весьма высокой концентрацией (2,5 н. раствор), что крайне нежелательно как с точки зрения коррозионной стойкости аппаратов и технологических линий (особенно при температуре 160^оС), так и наличия трудоемких и неэкологических фаз, кислотоотжима и рекуперации растворов кислоты, отмывки от остатков кислоты, нейтрализации кислых сточных вод и улова взвеси порошкового материала. Перечисленные операции требуют использования специального химического оборудования (высокопроизводительные антикоррозионные центрифуги, сушилка, мельница, насосы, запорная арматура и др.) и оснащения производства громоздким кислотным хозяйством, а также очистными сооружениями.

Техническим результатом является упрощение процесса, сокращение технологического цикла и создание экологически чистого производства.

Технический результат достигается тем, что в способе получения порошкообразного целлюлозного материала путем пропитки целлюлозосодержащего сырья растворами минеральной кислоты или кислой соли и высокотемпературного гидролиза, согласно изобретению пропитку осуществляют при жидкостном модуле 1: (0,2-1,0) при перемешивании со скоростью сдвига слоев сырья 10 1000 с^-1 в течение 1 10 мин, при этом используют 0,5 5%-ный раствор NaHSO₄ в воде или 0,02 0,5 н. раствор HCl в воде или спирте алифатического ряда с числом атомов углерода 2.4. Температуру при обработке поддерживают в пределах 100-150^оС.

В результате сдвига слоев обрабатываемого материала происходит равномерное распределение раствора. При этом в процессе термокаталитической деструкции целлюлозы смачиванию и гидролизу подвергается постоянно обновляющаяся поверхность, которая образуется при сдвиге и разрыве волокон или частиц целлюлозосодержащего сырья. Принимая также во внимание, что для слабых растворов соляной кислоты характерны более высокие значения ее концентрации в воде по сравнению с равновесным с водой паром, выпаривание приводит к укреплению раствора на поверхности волокна и компенсирует тем самым малый модуль и низкую концентрацию исходного раствора кислоты. Процесс термомеханической обработки продолжается до полного высушивания материала и в зависимости от сырья длится от 1 до 10 мин. Дополнительная доочистка получаемого продукта при использовании растворов НСl не требуется (анализ обнаруживает для некоторых примеров лишь следы кислоты). В случае применения в качестве гидролизующего агента NaHSO₄ оставшаяся в порошковом материале соль не влияет на качество изделий (стройиндустрия, металлургия, керамическая промышленность), в которые порошкообразный материал целлюлозный входит в качестве компонента.

П р и м е р 1. Хлопковую целлюлозу (ГОСТ 595-79) пропитывают водным раствором соляной кислоты при массовом соотношении сырья и раствора, жидкостном модуле 1:(0,2-1,0), затем загружают в смесительную камеру модели W 30 фирмы "Брабендер" с вращающимися навстречу друг другу роторами. Обработку проводят в течение 1-10 мин до постоянного значения крутящего момента, фиксируемого прибором. После обработки получают сухой мелкодисперсный порошок. Определяют по известным методикам фракционный состав, степень полимеризации и остаточную кислотность измельченного целлюлозного материала.

П р и м е р ы 2-6 выполнены аналогично примеру 1, но для других видов целлюлозы и параметров процесса.

П р и м е р 7. Целлюлозосодержащее сырье (стебли кукурузы) пропитывают, как в примерах 1-6, но в спиртовом растворе НСl. Измельчение проводят в двухшнековом смесителе с синфазным вращением червяков (диаметр червяка 50 мм).

П р и м е р ы 8-13 выполнены аналогично примеру 7, но для других типов целлюлозосодержащего сырья и технологических параметров.

П р и м е р 14. Древесную целлюлозу РБ (ГОСТ В 13891-68) пропитывают водным раствором NaHSO₄ при массовом соотношении сырья и раствора 1:(0,2-1,0). Дальнейшую обработку проводят по примерам 7-13.

П р и м е р ы 15-17. Обработку целлюлозы проводят, как в примере 14, но при других параметрах процесса.

Данные по видам использованного сырья, параметрам процесса и характеристикам полученных материалов приведены в таблицу.

Анализ таблицы показывает, что при концентрации гидролизующего агента 0,02-0,25 н. (НСl) и 0,5-5% (NaHSO₄) при высоком выходе порошка (97,2-99,7) он имеет удовлетворительные характеристики как по степени полимеризации, так и по фракционному составу. Как показывают примеры 7,10-13, среда, в которой растворен гидролизующий агент (имеет значение при выборе направления использования порошкового материала), не влияет на характер процессов, происходящих в смесительной машине, а следовательно, на характеристики готового продукта.

Использование гидролизующего агента более высоких концентраций (примеры 9, 17) не улучшает выходных характеристик получаемого материала, не приводит к увеличению расходных коэффициентов, вызывает усиленную коррозию внутренней поверхности смесительного аппарата и ухудшает экологические условия производства.

Что касается температурных условий производства, то они сложным образом связаны как с концентрацией гидролизующего агента и временем обработки, так и со скоростью сдвига слоев гидролизуемого сырья, и определить точно без связи с ними температурные условия невозможно. Тем не менее при температурах ниже 100^оС (пример 8) требуется для получения удовлетворительных характеристик времени более 10 мин, а при температурах выше 160^оС наблюдается резкое снижение коррозионной устойчивости оборудования (пример 17) или термомеханическое воздействие на целлюлозосодержащий материал приводит к ее разложению (пример 5).

Если говорить о скорости сдвига, то значение этого параметра меньше 10 увеличивает время обработки более 10 мин, с использованием скорости сдвига более 1000 при отсутствии заметного влияния на параметры готового продукта (пример 15) вызывает неоправданное увеличение энергозатрат.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКООБРАЗНОГО ЦЕЛЛЮЛОЗНОГО МАТЕРИАЛА путем пропитки целлюлозосодержащего сырья растворами минеральной кислоты или кислой соли и высокотемпературного гидролиза, отличающийся тем, что пропитку осуществляют при жидкостном модуле 1 0,2 1,0 при перемешивании со скоростью сдвига слоев сырья 10 1000 с^-1 в течение 1 10 мин, при этом используют 0,5 5%-ный раствор NaHSO₄ в воде или 0,02 0,5 н. раствор HCl в воде или в спирте алифатического ряда с числом атомов углерода 2 4.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3