Изучение структуры щелочной целлюлозы методами РЭМ

Щелочная целлюлоза образуется при воздействии на целлюлозу едкого натра в процессе мерсеризации. Из нее получают карбок-симетилцеллюлозу (КМЦ) путем обработки щелочной целлюлозы монохлоруксусной кислотой. КМЦ широко применяется в нефтеперерабатывающей, строительной, пищевой промышленности. В значительной мере качество формируемой КМЦ зависит от морфологических и структурных особенностей целлюлозного сырья. Модификации целлюлозного сырья посвящен ряд работ. Рассмотрено влияние механической активации на структуру древесной целлюлозы, показано, что реакционная способность целлюлозного сырья при этом возрастает [1-3]. Наиболее действенно структура целлюлозы меняется в результате химической модификации волокон [4]. Традиционно при синтезе КМЦ, на первом этапе используют щелочную обработку целлюлозы водным раствором NaOH. Особенности набухания и модификации целлюлозных волокон зависят от количества щелочи, и для разного растительного сырья (хлопок, травянистое, древесное сырье) отличаются. В настоящей работе для обработки целлюлозы древесного происхождения использован водный раствор щелочи NaOH с концентрацией 13%. Эта концентрация согласно работе [5] близка к нижней пороговой и выгодна с точки зрения сокращения материальных затрат.

В настоящей работе проведен сравнительный анализ образца исходной целлюлозы и целлюлозы, подвергнутой обработке щелочью NaOH (13% раствор) для выявления изменения морфологии и структуры в процессе мерсеризации.

Результаты исследования: Морфологические особенности образцов целлюлозы исследовали с помощью оптического микроскопа ADFU300 Каменского технологического института (филиала) им. М.И. Платова и электронного микроскопа Quanta 200 ЦКП «Нанотехнологии» ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова. Элементный состав образцов определяли с помощью системы рентгеновского микроанализа EDAX Genesis XVS 30.

а

б

Рис. 1. Волокна исходной целлюлозы: а- х10; б- РЭМ- изображение

Результаты оптической и РЭМ-микроскопии исходного порошка целлюлозы древесного происхождения представлены на рисунке 1. Толщина волокон достигает 60 мкм, длина волокон от 200 мкм до 1000 мкм. Тип волокон – либриформ. Волокна шероховатые, плоские, имеются отдельные поры. Результаты рентгеновского микроанализа исходной целлюлозы показаны на рисунке 2. В составе регистрируются углерод, кислород. Водород как элемент «легкий» прибором не определяется.

Рис. 2. Результаты рентгеноспектрального микроанализа исходной целлюлозы

Element	Weight %	Atomic %

Изображения целлюлозы после щелочной обработки 13% раствором NaOH показаны на рисунке 3.

а

Рис. 3. Волокна целлюлозы после обработки щелочью: а- х10; б- РЭМ- изображение

б

После обработки щелочью увеличивается плотность упаковки волокон. Структура волокон становится более рыхлой, пористость поверхности волокон возрастает. Поперечные размеры волокон уменьшаются. Эти данные вполне соответствуют выводам работы [4]. Появляются агломераты, состоящие из светлых микрочастиц. Известно, что в процессе мерсеризации образуются молекулярные соединения целлюлозы и гидрооксида натрия. Вероятно, они соответствуют включениям на снимке, однако для полной идентификации включений необходимы дополнительные исследования.

Результаты рентгеновского микроанализа щелочной целлюлозы показаны на рисунке 4. В составе регистрируются углерод, кислород, натрий. Рентгеновский микроанализ позволяет определить соотношения кислорода и углерода в целлюлозе. Чем меньше содержание кислорода относительно углерода, тем больше лигнина – не целлюлозного элемента в образце [4]. Удаление лигнина способствует лучшему проникновению химических реагентов внутрь целлюлозных волокон. Отношение О/С для образца исходной целлюлозы составляет – 1,2, для образца щелочной целлюлозы – 4,3, количество лигнина после обработки целлюлозы щелочью уменьшается в 3,6 раза. Следовательно, в процессе щелочной обработки активно удаляется компонент лигнин, что способствует улучшению качества целлюлозы для дальнейшего ее использования в синтезе КМЦ.

Рис. 4. Результаты рентгеноспектрального микроанализа щелочной целлюлозы

Element	Weight %	Atomic %

Заключение. Методами оптической и растровой микроскопии показано, что в процессе химической обработки волокон древесной целлюлозы 13% раствором щелочи NaOH ность упаковки волокон. Количество лигнина в образцах щелочной целлюлозы уменьшается в 3,6 раза, что обеспечивает улучшение реакционной способности целлюлозы.

возрастает поверхностная пористость и плот-