Способ получения негелеобразующего порошкообразного натрий-карбоксиметилцеллюлозного продукта из растительного сырья, полученный продукт и его применение
METHOD FOR OBTAINING A NON-GELLING POWDERED SODIUM CARBOXYMETHYL CELLULOSE PRODUCT FROM VEGETABLE RAW MATERIALS, THE OBTAINED PRODUCT AND ITS APPLICATION

Изобретение относится к получению производных целлюлозы – конкретно к получению негелеобразующего порошкообразного натрий-карбоксиметилцеллюлозного продукта из растительного сырья (ПНКПРС), без отделения целлюлозы от других компонентов растительного сырья, а также к применению полученного продукта в концентрированных водных лакокрасочных материалах.
2
Известен «Способ получения порошкообразного гелеобразующего продукта из растительного сырья», а именно способ получения ПНКПРС, включающий обработку исходного растительного сырья натриевой солью монохлоруксусной кислоты в проточной виброцентробежной мельнице непрерывного действия, добавление водного раствора гидроксида натрия и повторное перемешивание, отличающийся тем, что механохимическую обработку в виброцентробежной мельнице непрерывного действия проводят при ускорении мелющих тел 30 м/с, при температуре не выше 50°С в течение 2-5 мин, а компоненты берут в следующем молярном соотношении: лигноцеллюлоза : натриевая соль монохлоруксусной кислоты : гидроксид натрия : вода = 1 : 2 : (5,8-7,5) : (7-11). Предпочтительно используют исходное сырье с влажностью не более 16 масс. %. Предпочтительно используют раствор гидроксида натрия с концентрацией 40%. Конкретно растительное сырьё не называется, однако отмечается, что  исходным растительным сырьём служит биомасса травянистых растений и могут служить практически любые лигноцеллюлозные отходы сельскохозяйственного производства. Данным способом получают ПНКПРС без отделения целлюлозы от других компонентов растительного сырья. Данное техническое решение выбрано за прототип (1. Пат. РФ № 2720192, кл. C08B 11/12, опубл. 27.04.2020).
Недостатком данного технического решения, с точки зрения настоящего изобретения, является получение гелеобразующих ПНКПРС.
Гелеобразующие НКПРС, с точки зрения настоящего изобретения, обладают недостатком – невозможностью получения текучих растворов больших концентраций (в несколько десятков процентов, вплоть до пятидесяти процентов), так как образуют гели при значительно меньшей концентрации. Так, товарная натрий-карбоксиметилцеллюлоза (натрий-КМЦ) марки «Камцел-500» уже при концентрации 12 масс. % является гелем.
Техническая проблема, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в получении негелеобразующих ПНКПРС, причём по тому же способу, без отделения целлюлозы от других компонентов растительного сырья.  Также техническая проблема, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в применении указанного продукта в концентрированных водных лакокрасочных материалах.
Негелеобразующие ПНКПРС способны давать текучие растворы больших концентраций (в несколько десятков процентов, вплоть до пятидесяти процентов) и в этом отношении сходны, например, с пятидесятипроцентными растворами декстрина и гуммиарабика, используемыми в производстве акварельных красок и гуаши (2. Гусев В. Н. Акварельные краски. – М.: Гизместпром, 1947. – 94 с.).
Указанная техническая проблема не была решена в прототипе вследствие того, что не весь возможный (потенциально – весьма широкий) перечень растительного сырья был испытан.
Указанная техническая проблема решается благодаря использованию в качестве растительного сырья лузги гречихи – отхода сельскохозяйственного производства, при сохранении указанного в прототипе способа обработки растительного сырья. Данное решение указанной технической проблемы не очевидно для специалистов и невозможно без проведения соответствующих исследований, поскольку согласно прототипу следовало ожидать противоположный результат: получение гелеобразующего продукта из практически любого растительного сырья. Не очевидным для специалистов без проведения соответствующих исследований является и то обстоятельство, что не потребовалась какая-либо модификация способа. Кроме того, использование полученного продукта в качестве связующего в концентрированных водных лакокрасочных материалах (ЛКМ) не очевидно для специалистов и потребовало проведения соответствующих исследований. Во-первых, известно, что на основе натрий-КМЦ готовят водные краски, готовые к применению, но не концентрированные (3. Никитин А. М. Художественные краски и материалы. Справочник. – М.: Инфра-Инженерия, 2016. – С. 90–91). Это связано с указанным выше образованием натрий-КМЦ гелей при относительно низкой концентрации. В то же время очевидно, что концентрированные краски выгоднее хранить и транспортировать, поскольку они занимают меньше места по сравнению с готовыми к применению. Во-вторых, новое связующее и ЛКМ на его основе должны удовлетворять ряду специальных требований, в том числе легко перетираться в краскотёрке, обладать хорошим розливом (растекаемостью), не давать пены при нанесении, иметь нормальную адгезию, не давать существенного отмеливания, не иметь неприятного оттенка цвета высохшей плёнки ЛКМ вследствие собственной окраски связующего.
Достигаемый технический результат заявляемого технического решения заключается в получении негелеобразующих ПНКПРС из лузги гречихи – отхода сельскохозяйственного производства, способных давать текучие растворы больших концентраций (в несколько десятков процентов, вплоть до пятидесяти процентов; при более высокой концентрации растворы становятся чрезмерно вязки и вызывают технологические затруднения при дальнейшем применении), способные, в частности, служить связующим концентрированных водных ЛКМ.
Общественно-полезный эффект использования изобретения заключается в применении в водных ЛКМ продукта, полученного в результате утилизации лузги гречихи – отхода сельскохозяйственного производства, а также в улучшении экологической обстановки, т. к. водные ЛКМ при высыхании не дают выбросы органических растворителей в атмосферу.
Дополнительным положительным эффектом, достигаемым изобретением, является возможность применения продукта в качестве клея, что ведёт к экономии ценного растительного сырья, применяемого для получения обычных товарных клеёв (так, на производство натрий-КМЦ идёт целлюлоза из хлопчатника, в России не выращиваемого, а на производство декстрина идёт ценный пищевой продукт – крахмал).
Осуществление заявляемого изобретения показано в примерах.
Пример 1. Получение целевого продукта
2
Лузгу гречихи с влажностью не более 16 масс. % смешивают с натриевой солью монохлоруксусной кислоты и обрабатывают в проточной виброцентробежной мельнице типа ЦЭМ (ИХТТМ СО РАН, г. Новосибирск) непрерывного действия, затем добавляют водный раствор гидроксида натрия и перемешивают, после чего проводят механохимическую обработку в той же мельнице. Обработку в мельнице проводят при ускорении мелющих тел 30 м/с. Время пребывания в зоне обработки – 2 мин, температура в зоне обработки – не выше 50°С. Компоненты берут в следующем молярном соотношении: натриевая соль монохлоруксусной кислоты : гидроксида натрия : вода = 1 : 2 : 5,8 : 7. Гидроксид натрия используют в виде раствора с концентрацией 40%. Полученный влажный продукт сушат в течение 15-20 минут при 100-110°С. У полученного целевого продукта определяют органолептические свойства и клеящую способность. Также полученный целевой продукт идентифицируют методом инфракрасной спектроскопии, для чего образец продукта отмывают от гидроксида натрия и натриевой соли монохлоруксусной кислоты подкисленным раствором этанола до нейтральной среды и отрицательной реакции на хлор-ионы.
Пример 2. Получение целевого продукта
2
Лузгу гречихи с влажностью не более 16 масс. % смешивают с натриевой солью монохлоруксусной кислоты и обрабатывают в проточной виброцентробежной мельнице типа ЦЭМ (ИХТТМ СО РАН, г. Новосибирск) непрерывного действия, затем добавляют водный раствор гидроксида натрия и перемешивают, после чего проводят механохимическую обработку в той же мельнице. Обработку в мельнице проводят при ускорении мелющих тел 30 м/с. Время пребывания в зоне обработки – 5 мин, температура в зоне обработки – не выше 50°С. Компоненты берут в следующем молярном соотношении: натриевая соль монохлоруксусной кислоты : гидроксида натрия : вода = 1 : 2 : 7,5 : 11. Гидроксид натрия используют в виде раствора с концентрацией 40%. Полученный влажный продукт сушат в течение 15-20 минут при 100-110°С. У полученного целевого продукта определяют органолептические свойства и клеящую способность. Также полученный целевой продукт идентифицируют методом инфракрасной спектроскопии, для чего образец продукта отмывают от гидроксида натрия и натриевой соли монохлоруксусной кислоты подкисленным раствором этанола до нейтральной среды и отрицательной реакции на хлор-ионы.
Пример 3. Получение водных растворов целевого продукта
Из целевого продукта, полученного по примерам 1 и 2, готовят водные растворы с концентрацией от 1 до 50 масс. %. С увеличением концентрации увеличивается вязкость растворов; гель в указанном диапазоне концентраций не образуется, растворы остаются текучими. Цвет растворов – кофейный.
Пример 4. Приготовление концентрированных водных красок
Из полученных по примеру 3 сорока-пятидесятипроцентных водных растворов целевого продукта готовят концентрированные водные краски. Водные растворы целевого продукта центрифугируют и фильтруют на нутч-фильтре, после чего смешивают в смесителе с пигментами до пастообразной консистенции. Используют пигменты: двуокись титана пигментную, углерод технический, пигмент красный железоокисный, пигмент жёлтый железоокисный, железный сурик, охру. Пасты перетирают в краскотёрочной машине и фасуют. Полученные концентрированные водные краски можно использовать как школьно-оформительские акварельные краски и гуашь, а также как интерьерные краски после разбавления до рабочей консистенции. Концентрированные водные краски удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним: легко перетираются, обладают хорошим розливом, не дают пены при нанесении, имеют нормальную адгезию, не дают существенного отмеливания, не имеют неприятного оттенка цвета высохшей плёнки ЛКМ вследствие собственной окраски целевого продукта.
Пример 5. Приготовление концентрированных водных грунтовок
Из полученных по примеру 3 сорока-пятидесятипроцентных водных растворов целевого продукта готовят концентрированные водные грунтовки (пигментированные и непигментированные) аналогично примеру 4. Для пигментированной грунтовки используют пигменты-наполнители: мел, кальцит. Грунтовки используют после разбавления. Непигментированная грунтовка, если на неё не наносить последующие слои ЛКМ, является лаком. Грунтовки удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним.
Пример 6. Применение водных растворов целевого продукта в качестве клея
Водными растворами целевого продукта, полученными по примеру 3, склеивают бумагу, картон, ткань. Прочность склеивания соответствует прочности склеивания растворами натрий-КМЦ марки «Камцел-500».