ПРИМЕНЕНИЕ МАКУЛАТУРНОГО СЫРЬЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА

Аннотация. В работе получен порошковый материал путем воздействия раствора тетрахлорида титана в органическом растворителе на макулатурное сырье. Изучен компонентный и функциональный состав продукта.

Ключевые слова: макулатурное сырье, порошковый материал, лигноцеллюлозное сырье, тетрахлорид титана.

Работа выполнена при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям (программа «УМНИК» договор № 8319ГУ/2015) с использованием оборудования ЦКП «Химия» Института химии Коми НЦ УрО РАН.

На сегодняшний день все большее значение приобретает поиск новых перспективных направлений использования вторичного сырья. Так, переработка макулатурных масс позволяет снизить нагрузку на окружающую среду, поскольку сокращает использование растительных ресурсов и снижает объемы мусорных свалок. Кроме этого, макулатура является экономически доступным сырьем, что существенно сказывается на себестоимости продуктов, получаемых с ее использованием. Значительная часть макулатурных волокон (около 50 %) не пригодна для вторичного получения различных видов бумаги и картона в связи с утратой бумагообразующих свойств [1]. Поэтому разработка эффективных способов получения новых продуктов на основе макулатурного сырья является актуальной задачей.

В последние годы большое количество работ посвящено созданию порошковых лигноцеллюлозных материалов, которые применяются в различных композициях в качестве наполнителей и добавок специального назначения [2]. Их включение в составы сложных смесей направлено на снижение стоимости конечных продуктов, а также на улучшение физико-химических свойств. Из множества известных способов получения порошковой продукции внимание заслуживают те, в которых применяют каталитические реагенты кислотного типа, например, кислоты Льюиса [3].

Исследования данной работы, направленные на получение гибридных порошковых продуктов действием химических реагентов на макулатурное сырье, может стать перспективным направлением его использования.

Экспериментальная часть. В качестве исходного сырья использовали макулатурный упаковочный картон (МС-5Б). Порошковый материал получали обработкой предварительно проэкстрагированного в воде и осушенного образца макулатурного картона раствором TiCl₄ в гексане с концентрацией 0,08 моль/дм³ при температуре 70°С в течение 60 мин.

Микрофотографии были получены с помощью сканирующего электронного микроскопа Tescan VEGA 3 SBU.

ИК спектры диффузного отражения снимали на спектрофотометре «Prestige-21» (Shimadzu) с разрешением 4,0 см^-1 в области 4000-400 см^-1 на приставке диффузного отражения DRS 8000 A.

Содержание целлюлозы определяли азотно-спиртовым методом [4, с. 106], легкогидролизуемых полисахаридов – согласно методике [4, с. 134], лигнина – сернокислым методом в модификации Комарова [4, с. 162]. Содержание минеральной составляющей определяли путем озоления образцов в муфельной печи SNOL 8,2/1100 до 800˚С в атмосфере воздуха.

Обсуждение результатов. Известно, что обработка лигноцеллюлозного сырья растворами легкогидролизуемой кислоты Льюиса – TiСl₄ приводит к получению модифицированных порошковых материалов [3]. Тетрахлорид титана в данном методе проявляет бифункциональное действие, которое заключается в модифицировании титансодержащими соединениями поверхности лигноцеллюлозного сырья, а также деструкции его волокон за счет выделяющихся молекул НCl в процессе гидролитических превращений TiСl₄.

Результат воздействия раствора тетрахлорида титана на макулатурное сырье оценивали с помощью метода сканирующей электронной микроскопии (SEM). Данный метод позволил исследовать морфологические особенности и микроструктуру поверхности образцов. Микрофотографии (рисунок 1) свидетельствуют о получении материала порошкового вида, размеры частиц которого значительно меньше длины волокон исходного сырья. Кроме этого, на поверхности частиц материала присутствуют агломераты и пленка, в состав которых входят элементы Ti, О и Cl.

Рисунок 1. Микрофотографии волокон макулатурного картона (1) и порошкового материала (2)

Методом ИК спектроскопии были изучены отличия в структуре макромолекул объектов исследования. В ИК спектрах макулатурного картона и порошкового материала (рисунок 2) широкую полосу в области 3600-3100 см^-1 можно использовать для характеристики изменений в системе водородных связей целлюлозы. Поглощение в областях 3385 см^-1 и 3367 см^-1 характерно для колебаний ОН-групп, вовлеченных в межмолекулярные водородные связи [5]. Данная область дает оценочную информацию о степени замещения ОН-групп целлюлозы. Появление асимметричности данного пика для порошкового материала, а также смещение максимума поглощения к меньшим частотам возможно связанно с разрывом межмолекулярных водородных связей в ходе обработки и образованием новых водородных связей с соединениями титана.

Рисунок 2. ИК спектр макулатурного картона до и после обработки

Область 1500-900 см^-1 характеризует различные колебания С-Н-, С-О- и О-Н-связей, колебания гликозидной связи и глюкопиранозного кольца целлюлозы [5]. Интенсивность всех полос данной области для порошкового материала значительно ниже, чем для исходного картона, что обусловлено результатом взаимодействия макромолекул целлюлозы с тетрахлоридом титана.

Компонентный состав макулатурного сырья и порошкового материала определен различными методами и представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Компонентный состав объектов исследования

Результаты определения содержания целлюлозы и лигнина показали, что в порошковом материале данные значения оказались ниже на 6,4 и 4,2%, чем в исходном макулатурном сырье (таблица 1). Данный факт объясним протекающей в системе каталитической деструкцией макромолекул, вследствие чего происходит увеличение количества низкомолекулярных фракций, которые подвергаются растворению, что снижает конечный выход целлюлозы и лигнина. Содержание легкогидролизуемых полисахаридов соответственно возрастает от 10,8 до 15,0%. Увеличение содержания минеральной составляющей порошкового материала на 3,4% обусловлено модифицированием поверхности макулатурного сырья титансодержащими соединениями в результате обработки.

Заключение. Установлено, что обработка макулатурного сырья раствором TiCl₄ позволила получить порошковый материал с поверхностью, модифицированной титансодержащими соединениями. Изменения в функциональном составе выявлены с использованием метода ИК спектроскопии. Компонентный состав макулатурного сырья и гибридного порошкового материала представлен основными растительными компонентами: целлюлозой, лигнином, легкогидролизуемыми полисахаридами и минеральной составляющей.

Список литературы:

1. Ванчаков М.В., Кулешов А.В., Коновалова Г.Н. Технология и оборудование для переработки макулатуры: 2-е изд. испр. и доп., часть I. СПб, 2011. – 99с.
2. Кузьменкова Н.В., Багрянцева Е. П., Сыцко В. Е. Современный ассортимент дисперсных функциональных добавок для модифицирования полимерных материалов // Молодежь для науки и экономики: разработки и перспективы: сб. науч. статей VI международного форума молодых ученых. – Гомель, 2017. – С. 295–298.
3. Кувшинова Л.А., Фролова С.В. Кислотно-каталитическая трансформация полимеров растительного происхождения // Структура и физико-химические свойства целлюлоз и нанокомпозитов на их основе: сб. труд. Петрозаводского гос. ун-та. – Петрозаводск, 2014. – С. 30–97.
4. Оболенская А.В., Ельницкая 3.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы: учеб. пособие   для   вузов. М.: Экология, 1991. – 320 с.
5. Методы исследования древесины и ее производных: учеб. пособие для вузов / Н.Г. Базарнова [и др.]. Барнаул: Изд-во Алтайского. гос. ун-та, 2002. – 160 с.