Способ карбоксиметилирования лигноуглеводных материалов

 

Способ карбоксиметилирования лигноуглеводных материалов заключается в том, что исходный материал обрабатывают раствором гидроксида натрия в изопропиловом спирте в течение 0,5 - 6,0 ч при 20 - 150^oС, затем монохлоруксусной кислотой в течение 0,5 - 4,0 ч при 20 - 60^oС. В качестве исходных используют лигноуглеводные материалы, содержащие 35 - 60% целлюлозы, 20 - 40% лигнина, 13 - 35% гемицеллюлоз. Способ позволяет расширить сырьевую базу. 5 табл.

Изобретение относится к модификации лигноуглеводных материалов (ЛУМ) и предназначено для получения натриевых солей карбоксиметиловых эфиров лигноуглеводных материалов (Na-КМЛУМ), которые придают определенные свойства промывочным жидкостям, используемым при бурении, Известно несколько способов карбоксиметилирования одного из компонентов ЛУМ (целлюлозы), основанных на одной и той же реакции, но выполненных в различных модификациях Целлюлозу обрабатывают спиртовым (изопропиловый спирт) или водным растворами гидроксида натрия (с последующим отжимом или без него) и смешением полученной щелочной целлюлозы с твердым монохлорацетатом натрия.

В данном изобретении предлагается для карбоксиметилирования использовать весь ЛУМ (древесина различных пород и ее отходы, однолетние растения, тростник, камыш и т.д.), а не только целлюлозу (один из компонентов ЛУМ), как это делается в настоящее время.

Преимущества в использовании ЛУМ заключаются в том, что, во-первых, значительно удешевляется конечный продукт (стоимости целлюлозы для химической переработки и ЛУМ несопоставимы), во-вторых, появляется возможность реализации безотходной технологии (все основные компоненты ЛУМ: целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы карбоксиметилируются и в дальнейшем используются), в третьих, отпадает необходимость разделения лигноуглеводного комплекса на лигнин и углеводную часть и, в-четвертых, Na-КМЛУМ обладают более широким спектром свойств, чем Na-КМЦ.

Предлагаемый в изобретении способ карбоксиметилирования ЛУМ совпадает с уже известными способами карбоксиметилирования целлюлозы только тем, что в его основе лежит та же реакция (1). Соотношение реагентов, продолжительность и температура проведения реакции установлены в процессе оптимизации условий карбоксиметилирования ЛУМ.

Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому способу карбоксиметилирования ЛУМ является следующий способ карбоксиметилирования целлюлозы [SU, 639898, 1979].

Костру кенафа с содержанием α-целлюлозы 85-87 вес.%, лигнина и пентозанов 13-15 вес.% обрабатывают раствором гидроксида натрия в течение 1,5-2 часов при 15-20^oC, а затем Na-солью монохлоруксусной кислоты при 20-35^oC в течение 1,5-2,5 часов. При этом образуется натрийкарбоксиметилцеллюлоза, растворимая в воде на 98-99,5%.

Общими для прототипа и заявляемого изобретения являются такие признаки: химическая реакция, лежащая в основе способа карбоксиметилирования и последовательность стадий при синтезе (обработка исходного материала сначала гидроксидом натрия, затем монохлоруксусной кислотой).

Данное изобретение отличается от прототипа тем, что в качестве исходного сырья используется широкий набор лигноуглеводных материалов (древесина хвойных и лиственных пород, однолетние растения), содержащих основные компоненты в широких пределах, а именно 35-60% целлюлозы, 20-40% лигнина, 13-35% гемицеллюлоз. Причем перечисленные компоненты образуют прочный древесный комплекс за счет химических и физических связей, со сложным анатомическим, морфологическим и надмолекулярным строением. Кроме того, в данном изобретении существенно расширены временной и температурный интервалы реакции, в результате чего получаются продукты с широким спектром свойств.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что в результате реакции получается натрийкарбоксиметилцеллюлоза. В нашем изобретении данный недостаток прототипа устраняется. При использовании различных лигноуглеводных материалов: древесина лиственных и хвойных пород, отходы с/х производства (солома), биомасса однолетних растений (камыш, тростник) и другие подобные материалы, содержащие в своем составе кроме углеводов (целлюлоза, гемицеллюлозы), еще и лигнин, получается карбоксиметилированный лигноуглеводный материал, содержащий в своем составе натрийкарбоксиметилцеллюлозы, натрийкарбоксиметилгемицеллюлозы, натрийкарбоксиметиллигнин. Это способствует расширению сырьевой базы и ее удешевлению, а также позволяет получить материалы, обладающие более широким спектром свойств по сравнению с натрийкарбоксиметилцеллюлозой.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что лигноуглеводные материалы без разделения их на отдельные компоненты последовательно обрабатывают гидроксидом натрия и монохлоруксусной кислотой в среде изопропилового спирта. Задачей изобретения является получение натриевых солей карбоксиметилированных лигноуглеводных материалов, растворимых в воде на 50-98% и способных образовывать вязкие водные растворы.

Заявляемое изобретение имеет ряд существенных отличительных от прототипа признаков.

Во-первых, это использование в качестве объекта карбоксиметилирования лигноуглеводных растительных материалов без разделения их на отдельные гидроксилсодержащие компоненты (целлюлозу, лигнин, гемицеллюлозы).

Во-вторых, в данном изобретении значительное внимание уделено стадии взаимодействия ЛУМ с NaOH, которая проводится как с целью образования алкалипроизводных ЛУМ, так и с целью разрушения морфологической структуры ЛУМ и повышения доступности действующего реагента к гидроксильным группам основных компонентов ЛУМ - целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз. В случае проведения карбоксиметилирования суспензионным методом, т.е. в среде изопропилового спирта, ЛУМ предварительно обрабатывают гидроксидом натрия при постоянном перемешивании (химический метод активации). Реакцию с NaOH проводят в отличие от прототипа в более жестких условиях по температуре (20-150^oC) и продолжительности (0,5-6,0 ч). Максимальная растворимость различных пород древесины достигается при обработке NaOH при 100^oC в течение 2,5 часов и карбоксиметилировании в течение 3,0 часов при 50^oC.

Осуществление изобретения достигается следующим образом.

Лигноуглеводный материал в виде опилок 5 г (фракция 0,40-0,75 меш) энергично перемешивают в 200 мл изопропилового спирта с 40 мл 30%-ного водного раствора щелочи, 0,5-6 часов при 20-150^oC, отжимают, промывают изопропиловым спиртом. Добавляют 30 мл изопропилового спирта и 6 г МХУК в течение 0,5 часа. Реакционную массу выдерживают 0,5-4,0 часа при 20-60^oC, продукт отфильтровывают, промывают. Можно повторить процессы щелочной обработки и алкилирования последовательно несколько раз для получения высокорастворимого Na-КМЛУМ.

Пример.

Навеску 5 г воздушно-сухой древесины (фракция 0,40-0,75 меш) энергично перемешивают в 200 мл изопропилового спирта. Продолжая перемешивание, добавляют постепенно в течение 30 мин 40 мл 30% водного раствора NaOH при 20^oC. Затем смесь перемешивают еще один час при этой же температуре, после чего постепенно в течение 30 мин добавляют 6 г МХУК. Сосуд с реакционной смесью закрывают алюминиевой фольгой, оставляют на 3,0 часа при 50^oC. Полученный продукт отделяют декантацией, смешивают с 70% метанолом, добавляя для нейтрализации избытка щелочи 90% уксусную кислоту. Затем продукт декантируют, промывают 70% метанолом и абсолютным метанолом последовательно и сушат при 60^oC.

По методике, описанной в примере, получают карбоксиметилпроизводные из древесины разных пород. Свойства описаны в табл. 1. Состав продуктов карбоксиметилирования идентифицировали методом ИК-спектроскопии и химического анализа.

Продукты с различными свойствами (табл. 2-5) получают по методике, описанной в примере, при варьировании условий щелочной обработки древесины (продолжительность и температура) и условий обработки МХУК (продолжительность и температура).

Формула изобретения

Способ карбоксиметилирования лигноуглеводных материалов, заключающийся в том, что исходный материал обрабатывают раствором гидроксида натрия в изопропиловом спирте, затем монохлоруксусной кислотой, отличающийся тем, что в качестве исходного используют лигноуглеводные материалы, содержащие 35 - 60% целлюлозы, 20 - 40% лигнина, 13 - 35% гемицеллюлоз, обработка которых ведется раствором гидроксида натрия в изопропиловом спирте в течение 0,5 - 6,0 ч при 20 - 150^oC, затем монохлоруксусной кислотой в течение 0,5 - 4,0 ч при 20 - 60^oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3