Свойства и получение ксантогенатов целлюлозы

Растворимость ксантогенатов целлюлозы одной и той же степени этерификации зависит от структуры исходной целлюлозы, характеризуемой, в частности, так называемой поперечной упорядоченностью. Чем больше прочность связи между макромолекулами или элементами надмолекулярной структуры, тем выше степень этерификации ксантогената целлюлозы, необходимая для полной его растворимости.

Поэтому при ксантогенировании хлопковой целлюлозы необходимо расходовать большее количество CS 2 , чем при этерификации в тех же условиях древесной целлюлозы. 2. Свойства ксантогенатов целлюлозы.

Ксантогенаты целлюлозы легко разлагаются при действии различных реагентов.

Наиболее быстро и полно разложение ксантогенатов целлюлозы происходит под действием минеральных кислот. В результате обменной реакции минеральной кислоты с натриевой солью целлюлозоксантогеновой кислоты выделяется свободная целлюлозоксантогеновая кислота, которая быстро разлагается на целлюлозу и сероуглерод: S C 6 H 7 O 2 (OH) 2 - OC + HCl ® C 6 H 7 O 2 (OH) 2 -OH + CS 2 + NaCl SNa На этой реакции основано получение гидратцеллюлозного вискозного волокна из щелочных растворов ксантогената.

Постепенное разрушение ксантогената целлюлозы происходит и при действии слабых органических кислот, а также двуокиси углерода, содержащейся в воздухе.

Поэтому при длительном хранении ксантогенаты постепенно разлагаются с выделением сероуглерода. В водных растворах ксантогената целлюлозы происходит постепенный гидролиз натриевой соли целлюлозоксантогеновой кислоты с образованием свободной кислоты и ее последующий распад на целлюлозу и сероуглерод: S S C 6 H 7 O 2 (OH) 2 -OC + H 2 O ® C 6 H 7 O 2 (OH) 2 -OC + NaOH SNa SH C 6 H 7 O 2 (OH) 2 -OH + CS 2 Омыление ксантогената целлюлозы происходит и при действии концентрированных растворов щелочи: S 3 C 6 H 7 O 2 (OH) 2 -OC + 3 NaOH ® 3C 6 H 7 O 2 (OH) 2 - OH + 2Na 2 CS 3 + Na 2 CO 3 SNa Из стабильных производных целлюлозоксантогеновой кислоты наибольший интерес представляют соли целлюлозоксантогеновой кислоты с поливалентными металлами, бис -ксантогенаты, средние эфиры дитиоугольной кислоты и тиоуретаны целлюлозы.

Растворы ксантогенатов целлюлозы в разбавленных растворах щелочи (так называемая вискоза) применяются для получения вискозных волокон и пленок.

Состав и свойства вискозы определяют условия формования волокна и в значительной степени влияют на его качество.

Состав вискозы, применяемой для получения вискозного волокна, характеризуется концентрацией ксантогената целлюлозы и гидроксида натрия.

Содержание этих веществ в растворе может меняться в сравнительно широких пределах.

Обычно растворы, применяемые для получения волокна (так называемые прядильные растворы), содержат 7,5 - 9% ксантогената целлюлозы и 6 - 7% гидроксида натрия.

Ксантогенаты целлюлозы с g = 25 - 50 могут растворяться в разбавленных растворах щелочи, образуя растворы любой концентрации и вязкости. Как и растворы других полимеров, особенно полиэлектролитов, вискоза сильно структурирована уже при сравнительно невысокой концентрации ксантогената целлюлозы в растворе. При степени полимеризации ксантогената целлюлозы 500 - 600 c труктурирование наблюдается уже в 0,3 - 0,5%-ном растворе.

Вязкость разбавленных и, особенно, концентрированных растворов ксантогената целлюлозы, как и других полимерных электролитов сильно зависит от концентрации гидроксида натрия.

Удельная вязкость эквиконцентрированных разбавленных растворов ксантогената в 0,5%-ном растворе NaOH значительно выше, чем в 3 - 7%-ных растворах NaOH . В отличие от растворов других эфиров целлюлозы в неполярных, растворителях, а также от медноаммиачных растворов целлюлозы, растворы ксантогената целлюлозы в разбавленных растворах щелочи неустойчивы. При их выдерживании происходит постепенное омыление ксантогената целлюлозы, что приводит к непрерывному понижению степени его этерификации.

Соответственно изменяются и физико-химические свойства раствора, в частности вязкость и устойчивость к действию электролитов.

Комплекс химических и физико-химических процессов, происходящих. при выдерживании вискозы, носит название созревания вискозы.

Скорость омыления дитиокарбонатных групп, находящихся в элементарном звене макромолекулы ксантогената целлюлозы у различных атомов углерода (С 2 , С 3 или С 6 ) в процессе созревания различна. По данным ряда исследователей, константа скорости омыления дитиокарбонатных групп у С 2 и С 3 в процессе созревания примерно в 10 раз выше, чем тех же групп у С 6 . Однако, как было в дальнейшем установлено, соотношение скоростей отщепления дитиокарбонатных групп, находящихся у С 2 и С 3 и у С 6 , зависит от концентрации NaOH в вискозе, и указанное различие имеется только при незначительной концентрации NaOH в вискозе. При повышении концентрации NaOH в вискозе различие в скоростях отщепления этих групп уменьшается, и при концентрации NaOH в растворе выше 20 % (что практически никогда не имеет места) скорость отщепления дитиокарбонатных групп у С 6 заметно больше, чем тех же групп у С 2 и С 3 . Наряду с омылением тиокарбонатных групп, протекающим по схеме : происходит дополнительная этерификация целлюлозы выделяющимся сероуглеродом, вследствие чего в процессе созревания повышается химическая однородность ксантогената целлюлозы. При проведении созревания вискозы в присутствии анионитов, связывающих образующуюся при омылении ксантогената целлюлозы дитиоугольную кислоту, в результате чего исключается возможность дополнительной этерификации целлюлозы, процесс созревания протекает значительно быстрее, чем обычно; дитиокарбонатные группы в ксантогенате целлюлозы находятся после созревания преимущественно у С 6 . Отщепляющиеся при частичном омылении ксантогената целлюлозы сероуглерод и гидроксид натрия реагируют между собой, образуя тритиокарбонат натрия и Na 2 S : 3 CS 2 + 6 NaOH ® 2 Na 2 CS 2 + Na 2 CO 3 + 3 H 2 O CS 2 + 6 NaOH ® 2 Na 2 S + Na 2 CO 3 + 3 H 2 O Образование этих продуктов было доказано спектрофотометрически при исследовании созревания вискозы, освобожденной от низкомолекулярных сернистых соединений путем пропускания через иониты.

Образующиеся низкомолекулярные сернистые соединения претерпевают в процессе созревания ряд дополнительных превращений, в результате которых в вискозе накапливаются не только тиокарбонаты, но и другие продукты.

Скорость омыления ксантогената целлюлозы в вискозе зависит главным образом от концентрации гидроксида натрия в растворе и от температуры. При повышении концентрации гидроксида натрия до известного предела (7 - 8%) гидролиз ксантогената замедляется.

Дальнейшее повышение концентрации гидроксида натрия в растворе приводит к ускорению щелочного омыления ксантогената целлюлозы.

Повышение температуры также приводит к заметному увеличению скорости созревания вискозы.

Следовательно, в процессе созревания происходит непрерывное понижение степени этерификации ксантогената целлюлозы и увеличение количества сернистых соединений.

Уменьшение количества дитиокарбонатных групп в макромолекуле ксантогената целлюлозы приводит к понижению сольватации и соответствующему уменьшению устойчивости раствора ксантогената к действию электролитов.

Устойчивость раствора ксантогената целлюлозы к действию электролитов характеризует так называемую зрелость вискозы, являющуюся одной из основных ее технических характеристик. Чем ниже степень этерификации ксантогената, находящегося в вискозе, тем меньше электролита требуется для высаживания ксантогената целлюлозы из раствора и тем выше зрелость вискозы.