Мискантус гигантский сорта «КАМИС» – новое сырье для нитратов целлюлозы

Abstract

В связи с ограниченностью объемов традиционных источников целлюлозы (хлопка и древесины) исследования, направленные на получение наиболее конкурентоспособных наукоемких продуктов – нитратов целлюлозы – из нового отечественного нетрадиционного легковозобновляемого сырья, чрезвычайно актуальны. Анализ источников научной информации подтверждает отсутствие данных о возможности получения нитратов целлюлозы из мискантуса за исключением публикаций авторов. В данной работе в качестве перспективного сырьевого источника предложена древовидная техническая злаковая культура – мискантус гигантский сорта «КАМИС», произрастающий с урожайностью до 20 т/га в год на агропромышленных плантациях в Калининградской, Калужской, Брянской, Ярославской областях и в Приморском крае. Образец технической целлюлозы, выделенный азотнокислым способом из мискантуса сорта «КАМИС», характеризуется высокими значениями массовой доли α-целлюлозы – 96 % и степени полимеризации – 1350. В установленных ранее для нетрадиционного сырья оптимальных условиях синтеза путем обработки технической целлюлозы промышленно доступной серно-азотной кислотной смесью был получен образец нитратов целлюлозы с основными функциональными свойствами: массовая доля азота 11,26 %, вязкость 52 мПа∙с, растворимость в спиртоэфирной смеси 95 %. Методом растровой электронной микроскопии охарактеризованы морфологические особенности образцов технической целлюлозы и нитратов целлюлозы. Методом ИК-спектроскопии выявлено наличие основных функциональных групп в образцах технической целлюлозы (3411, 2913, 1637, 1429, 1369, 1317, 1161, 700-500 см-1) и нитратов целлюлозы (2553, 1642, 1276, 830, 746, 680 см-1), позволяющих идентифицировать их как целлюлозу и азотнокислые эфиры целлюлозы соответственно. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии установлено, что по температуре начала интенсивного разложения (199 °С) и удельной теплоте разложения (8,43 кДж/г) образец нитратов целлюлозы соответствует промышленным коллоксилинам. Практическая значимость работы заключается в экспериментальном обосновании возможности использования нового отечественного нетрадиционного легковозобновляемого сырья – мискантуса сорта «КАМИС» в качестве прекурсора нитратов целлюлозы высокого качества

Due to the limited volumes of conventional sources of cellulose (cotton and wood), research centered on producing the most competitive science-driven products – cellulose nitrates – from new, domestic, easily renewable feedstocks is extremely relevant. The review of scientific literature corroborates the lack of data on the feasibility to obtain cellulose nitrates from Miscanthus, except for the authors’ publications. Here we suggest a tree-like industrial crop, Miscanthus var. KAMIS, growing with an yield of up to 20 t/ha a year on industrial plantations in Kaliningradskaya, Kaluzhskaya and Yaroslavskaya Oblasts and in Primorskiy Krai. A pulp sample derived from Miscanthus var. KAMIS by the nitric-acid process exhibits a high α-cellulose content of 96 % and degree of polymerization of 1350. Under optimum synthesis conditions previously identified for unconventional feedstocks, a cellulose nitrate sample was synthesized by treating the pulp with commercially available mixed acid and had the following functional characteristics: 11.26 % nitrogen content, 52 mPа∙s viscosity, and – 95 % solubility on alcohol-ester mixture. Morphological features of pulp and cellulose nitrate samples were characterized by scanning electron microscopy. IR spectroscopy revealed the presence of functional groups in pulp samples (3411, 2913, 1637, 1429, 1369, 1317, 1161, 700-500 cm-1) and cellulose nitrate samples (2553, 1642, 1276, 830, 746, 680 cm-1), which allow those samples to be identified as cellulose and nitrate cellulose esters, respectively. It was found by scanning electron microscopy that the cellulose nitrate sample matches industrial Colloxylines by the onset temperature of decomposition (199 °С) and specific head of decomposition (8,43 kJ/g). The practical importance of this study is that we experimentally justify the feasibility to utilize the new, unconventional, domestic, easily renewable feedstock, Miscanthus var. KAMIS, as a precursor of high-quality cellulose nitrates