СПОСОБ ЭТЕРИФИКАЦИИ ТОРФА
PEAT ESTERIFICATION METHOD

Изобретение относится к области химической технологии и конкретно к способу получения ацетилированных производных торфа и может быть использовано в производстве пластических масс и композиционных материалов с минеральными и органическими наполнителями.
Известны способы этерификации древесины с помощью обычных этерифицирующих реагентов: уксусный ангидрид с серной кислотой в качестве катализатора. Получаемые ацетилированные производные сохраняют внешний вид исходной древесины и мало растворимы в органических растворителях, что является основным недостатком этого способа, поскольку продукты не представляют интереса для промышленного использования [Химия древесины / Под ред. Л.Э.Уайза и Э.С.Джана. - М.-Л.: Гослесбумиздат, 1960. т.2. - С.243].
Торф в отличие от древесины должен быть более податлив к химической модификации, так как его полимерная матрица в результате гумификации более доступная и реакционно-способная [Г.В.Наумова. Торф в биотехнологии. Минск: Наука и техника, 1987. - 158 с.].
Известен способ ацетилирования лигноуглеводных материалов, заключающийся в их обработке уксусным ангидридом в количестве 1-3 моль на 1 моль ОН-групп сырья при интенсивном механическом измельчении при 25°С в течение 0.5-3 ч в присутствии 20 мас.% сульфата аммония в качестве катализатора [Патент РФ №2285698. МПК С08В 3/06. Опубликован 20.10. 2006. БИ №29].
Недостатком известного способа является использование в качестве только лигноуглеводных материалов, в которых компоненты химически связаны в лигноуглеводный комплекс и малореакционно-способны.
Использование в качестве сырья торфов различного генезиса позволяет расширить сырьевую базу и получать продукты с более широким спектром свойств.
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому объекту является способ ацетилирования древесины путем ее обработки уксусным ангидридом при 25°С в течение 0.5-48 ч в присутствии в качестве катализатора гидроксида натрия (прототип) [Базарнова Н.Г., Худенко СБ., Галочкин А.И., Ольхов Ю.А. Ацетилирование древесины осины уксусным ангидридом в присутствии гидроксида натрия // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 1998. Т. 41. Вып.6. С.120-123].
Общие признаки прототипа и предлагаемого изобретения заключаются в том, что для ацетилирования используется уксусный ангидрид в присутствии гидроксида натрия в качестве катализатора. К недостаткам прототипа следует отнести: высокий расход ацетилирующего реагента (до 10 моль), длительность процесса до 48 ч, использование в качестве сырья только древесины.
Предлагаемое изобретение позволяет устранить основные недостатки прототипа. Использование торфа в качестве сырья позволяет расширить сырьевую базу и получить продукты с более широким спектром свойств.
Применение механохимической активации торфа на планетарной мельнице АГО-3 позволяет снизить последующий расход ацетилирующего реагента от 1-10 до 1-7 моль/моль ОН-групп торфа, сократить продолжительность процесса от 48 до 2-8 ч, то есть интенсифицировать процесс.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в механохимической обработке торфа гидроксидом натрия в количестве 25% от массы торфяного сырья с последующей этерификацией под действием уксусного ангидрида в количестве 1-7 моль на 1 моль ОН групп торфа при 80-100°С в течение 2-8 ч.
Заявляемое изобретение осуществляется следующим образом.
В реактор планетарной мельницы АГО-3 со 100 стальными стержнями (10·100 мм) загружают навеску воздушно-сухого торфа массой 200 г, добавляют гидроксид натрия (из расчета 25% от массы торфа) и подвергают механохимической обработке в течение 5 минут.
Затем навеску активированного торфа массой 2.0 г вносят в круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, помещенную в термостатируемую масляную баню (80-120°С), добавляют уксусный ангидрид (из расчета 1-7 моль/моль ОН-групп торфа) и выдерживают в течение 2-8 ч. Далее полученные продукты отфильтровывают, промывают водой до нейтральной среды и сушат в эксикаторе до постоянной массы.
Пример 1. В реактор планетарной мельницы АГО-3 со 100 стальными стержнями (10·100 мм) загружают навеску воздушно-сухого торфа массой 200 г, добавляют гидроксид натрия (из расчета 25% от массы торфа) и подвергают механохимической обработке в течение 5 минут.
Затем навеску активированного торфа массой 2.0 г вносят в круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, помещенную в термостатируемую масляную баню (100°С), добавляют уксусный ангидрид (из расчета 3 моль/моль ОН-групп торфа) и выдерживают в течение 2 ч. Далее полученные продукты отфильтровывают, промывают водой до нейтральной среды и сушат в эксикаторе до постоянной массы. Растворимость в хлороформе - 18%, содержание связанных ацетильных групп - 12.0%.
Примеры 2-4 проведены в условиях, аналогичных примеру 1, но при различной продолжительности этерификации (табл.1).
Таблица 1
Влияние продолжительности ацетилирования механохимически активированного в присутствии NaOH торфа на свойства полученных продуктов*
Пример
Продолжительность ацетилирования, ч
Содержание ацетильных групп, %
Растворимость в ацетоне, %
Исходный торф
-
-
5
1
2
12.0
18
2
4
13.6
19
3
6
14.5
20
4
8
18.5
20
* масса торфа - 2.0 г, мольное соотношение ОН:Ас<sub>2</sub>О=1:3, температура ацетилирования - 100°С.
2
Примеры 5-8 проведены в условиях, аналогичных примеру 3, но при различной температуре этерификации (табл.2). Примеры 9-11 проведены в условиях, аналогичных примеру 3, но при различных мольных соотношениях ОН:АсО (табл.3).
-1
-1
-1
-1
3
В ИК-спектрах этерифицированного торфа наблюдается пик в области 3600-3200 см, соответствующий валентным колебаниям незамещенных ОН-групп, очень интенсивные пики в области 1725, 1370, 1240, 600 см, соответствующие колебаниям сложноэфирных группировок, а также пики в области 2920-2850 см, относящиеся к колебаниям -СН группы в алифатическом остатке уксусной кислоты. Пики в области 1600, 1515, 1450 см, характерные для ароматических лигнинных и гуминовых структур, присутствуют в спектрах, однако их интенсивность незначительна.
Таблица 2
Влияние температуры ацетилирования механохимически активированного в присутствии NaOH торфа на свойства полученных продуктов*
Пример
Температура ацетилирования, °С
Содержание ацетильных групп, %
Растворимость в ацетоне, %
Исходный торф
-
-
5
3
100
14.5
20
5
80
10.8
14
6
90
11.3
20
7
110
13.5
24
8
120
13.8
24
* масса торфа - 2.0 г, мольное соотношение ОН:Ас<sub>2</sub>О=1:3, продолжительность ацетилирования - 6 ч.
Таблица 3
Влияние мольного соотношения ОН:Ас<sub>2</sub>О при ацетилировании механохимически активированного в присутствии NaOH торфа на свойства полученных продуктов*
Пример
Мольное соотношение ОН:Ас<sub>2</sub>O
Содержание ацетильных групп, %
Растворимость в ацетоне, %
Исходный торф
-
-
5
3
1:3
14.5
20
9
1:1
12.2
16
10
1:5
15.6
29
11
1:7
18.9
40
* масса торфа - 2.0 г, температура ацетилирования - 100°С, продолжительность ацетилирования - 6 ч.
Таким образом, получены новые ацетилированные производные торфа, которые могут быть использованы в качестве термопластичных материалов.