Получение нанодисперсных нитратов целлюлозы для энергетических конденсированных систем

В. А. Петров, М. Р. Гибадуллин, Н. В. Аверьянова,

Н. В. Кузнецова, А. Д. Захаров, И. А. Хамматов

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОДИСПЕРСНЫХ НИТРАТОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Ключевые слова: наноразмерность, нанонитроцеллюлоза, энергетически конденсированные системы.

Изучен способ получения нанонитроцеллюлозы методом ультразвуково диспергирования и ее структура. Показана возможность применения нанонитроцеллюлозы в энергетически конденсированных системах.

Keywords: Nanoscale, nanonitrocellulose, energy condensed systems.

Explore means of obtaining nanonitrocellulose by ultrasonic dispersion and studied its structure. Demonstrated the possibility of the use nanonitrocellulose in energy condensed systems.

В последнее время за рубежом ведутся исследования по разработке технологии нанокристаллической (НК) и нанофибриллярной (НФ) целлюлозы из различного целлюлозного сырья. Это обусловлено тем, что наноразмерные частицы обладают высокой механической прочностью (прочность на разрыв ~10 ГПа, модуль упругости —150 ГПа), сопоставимой с прочностью углеродных нанотрубок, что дает возможность получения сверхпрочных и сверхлегких материалов, а сырьевые ресурсы для их получения практически неограниченны [1-3].

Известно, что методом кавитационного гидродинамического воздействия возможно получение суспензий полимерных нанопорошков в различных дисперсных средах. Это связано с кавитационными эффектами, вызванными образованием и разрушением газовых

микропузырьков в течение 10"3-10"5 секунд при действии давления 100-1000 МПа [4].

Исходя из выше сказанного, целью данной работы являлось получение ультра- и

наноразмерных нитратов целлюлозы методом ультразвуковым диспергированием и исследование ее структуры.

На основе микрокристаллической целлюлозы были синтезированы нитраты

целлюлозы (НЦ) в среде трифторуксусной кислоты [5,6]. В дальнейшем НЦ подвергался ультразвуковому диспергированию, которое осуществлялось магнитострикционным излучателем [7] при комнатной температуре 25°С. В связи с перегревом кавитационной жидкости обработка проводилось в 3 приема по 2-3 минуты, общее время составило около 10 минут. Импульс, подаваемый магнитным преобразователем на НЦ в водной среде, составляет 2 секунд с перерывами по 5 секунд и частотой 22 кГц.

После ультразвукового диспергирования полученные образцы нитратов целлюлозы подвергались фракционированию путем центрифугирования при 3000 об/мин.

Для полученных образцов НЦ подвергнутых и не подвергнутых ультразвуковому диспергированию, был проведен элементный анализ с целью определения количества азота.

Дифференциально сканирующей калориметрией определяли температуру начала разложения

образцов. С помощью сканирующего электронного микроскопа PHENOM получены электронные

микроснимки образцов НЦ.

В результате работы:

- получены образцы нитратов микрокристаллической целлюлозы методом нитрования микрокристаллической целлюлозы в двойной (трифторуксусная кислота + HNO3) смеси, с содержанием азота 13,29 %.

- показано что, ультразвуковое

диспергирование НЦ снижает содержание азота в среднем на 3,3 %, а полученные термограммы показывают снижение температуры начала разложения на ~ 4 %, что может быть связано с образованием при ультразвуковом диспергировании небольшого количества свободных радикалов,

которые катализируют процесс начала разложения и увеличением удельной поверхности НЦ.

- методом сканирующей электронной микроскопии показано, что ультразвуковым диспергированием нитрата микрокристаллической целлюлозы получены ультра- и нанодисперсные образцы нитрата целлюлозы с размерами частиц в среднем по длине 663 нм, а по ширине 207 нм. Установлено, что их форма представляет игольчатые кристаллы.

Можно предположить, что НК и НФ нитраты целлюлозы в комбинации с обычными энергетическими полимерами может образовывать высокопрочные композиционные энергетические материалы которые возможны для применения в энергетически конденсированных систем.

Литература

1. West Coast - East Coast: Research in Cellulose Nanotechnology [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ipst.gatech.edu/faculty_new/faculty_bios/ ragauskas/posters/GaTech%200SU%20Poster%20Nano, свободный.

2. Петров В.А. Вестник Казанского технологического университета, 14, 14, 181-186 (2011).

3. Т.Н. Исхаков, Вестник Казанского технологического университета, 15, 16, 12-16 (2012).

4. Наноматериалы: учебное пособие / Под ред. Рыжинков Д.И. - М. :БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. - 365 с.

5. Н.С.Касько, Химия растительного сырья, 4, 119-124 7. Петров В.А., Гибадуллин М.Р, Мезиков В.К. В сб.

(1999). Успехи в специальной химии и химической технологии,

6. Касько Н.С., Панченко О.А. Синтез химических РХТУ им. Д. И. Менделеева, Москва, 2010. С 487-491.

однородных 2,3-динитратов целлюлозы // Химия

растительного сырья. 1997. №2. С. 46-52.

© В.А. Петров - д.т.н., профессор кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений КНИТУ, ptrv@kstu.ru; М.Р. Гибадуллин - к.т.н., доцент той же кафедры, gibadullin@kstu.ru, gmr@kstu.ru; Н.В. Аверьянова - аспирант той же кафедры, natusca-1@mail.ru; Н.В. Кузнецова - аспирант той же кафедры, hu-ka@mail.ru; А. Д. Захаров - магистрант той же кафедры, e-mail: hicest19@mail.ru; И. А. Хамматов - той же кафедры, ildar1q2w3e@mail.ru.