Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 1 Химия

.pdf
Скачиваний:
127
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
15.61 Mб
Скачать

чаться или отличаться по отсутствию признаков морфологиче­ ской структуры, которая полностью разрушается при растворе­ нии Природных целлюлоз.

Исходным сырьем в производстве нитроцеллюлозных П и ТРТ является природная целлюлоза, которая и является пред­ метом настоящего рассмотрения.

Строение целлюлозы, являющейся сложным неоднород­ ным, высокомолекулярным природным полимером, передаю­ щим многие свои свойства нитрату, может быть понятно по­ сле ответа на следующие основные вопросы:

химическое строение элементарного звена и макромо­ лекулы в целом;

конформация макромолекулы и ее звеньев;

молекулярная масса и ее полидисперсность;

структура целлюлозы, включая: фазовое состояние (аморфное, кристаллическое), межмакромолекулярные связи, надмолекулярная структура, структурные модификации.

Многочисленные исследования по химии целлюлозы, вы­ полненные у нас и за рубежом [68—70], позволили достаточно корректно установить молекулярное и надмолекулярное строе­ ние целлюлозы. Ниже приводятся основные интегральные по­ ложения, касающиеся строения целлюлозы.

Строение макромолекулы. Элементарным звеном является ангидро -Д- глюкоза (при полном гидролизе целлюлозы выде­ ляется Д-глюкоза с 96...98% выходом от теоретического).

Элементарные звенья — ангидро-Д-глюкопиранозы — со­ единены между собой /?-глюкозидной связью.

Таким образом, строение макромолекулы целлюлозы может быть представлено формулой:

Справедливость формулы подтверждается данными кислот­ ного и ферментативного гидролиза, ацетолиза, ИК — спектро­ скопии, поляриметрии и др.

Конформация пиранозного цикла может принимать форму ванны или кресла, причем, возможны две конформации крес­ ла (С) и шесть конформаций ванны (В):

, 4 ^ '

^

С1

Молекулярная масса является одной из важнейших характе­ ристик целлюлозы, в значительной степени определяющей физико-механические свойства изделий из нее или ее произ­ водных.

Наиболее удобной характеристикой величины макромоле­ кулы является степень полимеризации (СП), которая связана с молекулярной массой (М) соотношением:

где 162 — молекулярная масса элементарного звена.

Для определения молекулярной массы целлюлозы исполь­ зуются все методы, применяемые для природных и синтетиче­ ских полимеров других классов:

химические методы, основанные на определении содер­ жания концевых групп;

физико-химические методы, связанные с переводом целлюлозы в растворенное состояние. Использование данных методов затрудняется ограниченным числом растворителей для целлюлозы.

Из химических методов используются:

— метод определения по содержанию альдегидных групп (йодное или медное число);

— метод определения по числу элементарных звеньев, со­ держащих четыре гидроксильные группы.

Каждый из этих методов обладает существенными недос­ татками, ограничивающими их применение.

Физико-химические методы включают метод измерения ос­ мотического давления разбавленных растворов полимера и яв­ ляется одним из наиболее точных методов определения сред­ нечислового значения молекулярной массы.

Молекулярные массы различных эфиров целлюлозы, опре­ деленные многими исследователями осмотическим метолом, составляют 50000... 100000. Аналогичные данные получены и в результате вискозиметрических измерений медно-аммиачного раствора целлюлозы в вакууме.

Было найдено значение СП хлопковой целлюлозы — 9500... 10000. Значение молекулярной массы было определено на уровне 2400000 [71, 72].

Связь молекулярной массы с характеристической вязко­ стью описывается нелинейным уравнением:

[ч\ = кМ°,

 

V

а — показатель, характеризующий свертывае­

где [^] = Н т-^ -,

мо

С

 

мость макромолекул в растворе.

Для целлюлозы и ее производных а = 0,7...0,95, к = 810-3. Довольно подробно изучена зависимость [77] от степени этери­ фикации нитратов целлюлозы, подвергнутых нитрованию в ус­ ловиях, при которых молекулярная масса не снижается.

По данным Маркс — Фижани [73] при увеличении содер­ жания азота в нитрате до 13,8% значение [77] монотонно повы­ шается, по-видимому, вследствие увеличения степени ассимет-

рии макромолекулы. При дальнейшем

повышении азота

в тринитрате до 14,4% значение [77] уже не

изменялось.

В связи с этим для получения корректных значений моле­ кулярной массы характеристические вязкости [77], полученные для НЦ, содержащих менее 13,8% азота, должны быть пере­ считаны на [77^13<8 по уравнению:

ы 13,8

1-х(13,8-Л0’

 

где N — содержание азота в % в исследуемом образце, х — эмпирическая константа для образцов НЦ различной степени этерификации.

На основе вискозиметрических исследований растворов НЦ были получены следующие значения СП для различных целлюлоз:

хлопковая — 6200...6500 лен — 8000

древесная из сосны (получены в мягких условиях) — 3300 древесная из сосны (обычная) — 1400.

По данным [74, 75] СП целлюлозы в древесине ели, со­ сны, буке, осины, березы находится на уровне 4000...5500. Из других методов определения молекулярной массы целлюлозы

иее эфиров следует назвать методы ультрацентрифугирования

исветорассеяния .дающие максимальные значения М, по-ви­ димому, наиболее близкие к истинным значениям вследствие исключения возможности деструкции. Однако данные методы экспериментально сложны и не всегда приемлемы для практи­

ческих целей.

Полидисперсность целлюлозы и ее эфиров. Как и любой по­ лимер, целлюлоза и ее эфиры полидисперсны. Что касается НЦ, ее полидисперсность, характеризуемая молекулярно-мас­ совым распределением (ММР), имеет исключительно важное значение с точки зрения физико-механики и реологии П и ТРТ. Так, низкомолекулярные фракции снижают механические характеристики и вязкость пороховой массы, уменьшая «тех­ нологичность» последней, иногда до неприемлемого уровня. Высокомолекулярные фракции, напротив, повышают механи­ ческие характеристики и вязкость массы. В случае, если по­ следняя превышает допустимый уровень, масса становится «нетехнологичной» и не может безопасно экструдироваться при формовании зарядов. Таким образом, вопрос исследова­ ния полидисперсности целлюлозы и нитроцеллюлозы с опре­ делением ММР и уточнением требований по этому параметру применительно к конкретным составам П и ТРТ является од­ ним из важнейших в химии и технологии данного класса ЭКС.

Для количественной оценки полидисперсности целлюлозы и НЦ могут быть применены те же методы, что и для других полимеров, в частности, методы фракционного растворения и фракционного осаждения.

Метод фракционного растворения НЦ путем последова­ тельной обработки различными растворителями был применен А. В. Сапожниковым [76], которому впервые удалось доказать,

164

что НЦ является физически и химически неоднородным про­ дуктом.

3. А. Роговин и Р. С. Нейман [77] использовали метод рас­ творения целлюлозы в щелочах разной концентрации и при разной температуре. Путем последовательной обработки цел­ люлозы растворами №ОН разной концентрации удалось пол­ ностью расфракционировать целлюлозу вискозного волокна и частично расфракционировать образцы природной целлюло­ зы.

Метод фракционного осаждения был использован Батиста [78], который осаждал целлюлозу, растворенную в медно-ам­ миачном растворителе, н-пропиловым спиртом или ацетоном.

Фракционирование НЦ показало, что целлюлоза природ­ ных волокон (хлопок, лен) обладает сравнительно низкой дис­ персностью. ММР хлопковой целлюлозы и целлюлозы льна характеризуются наличием двух максимумов: СП 7500...9000 и 5500...7000, СП 9000...11000 и 5500...9000 соответственно. Древесная целлюлоза имеет различные ММР для различных пород дерева. Целлюлоза лиственных пород имеет обычно один максимум на кривой ММР, целлюлоза хвойных пород — два максимума (например, ель — 1400 и 3000).

Кроме методов фракционного растворения и осаждения используются и ряд других методов: гель — фильтрации и др.

ММР нитратов целлюлозы, используемых в производстве П и ТРТ, как отмечалось выше, является одним из важнейших параметров, определяющих как комплекс свойств состава, так и технологические характеристики массы при изготовлении из нее зарядов для ракетных двигателей.

Результаты исследований различных НЦ, используемых для этих целей, приводятся ниже в соответствующем разделе по НЦ.

Конформация макромолекул целлюлозы

Макромолекулы целлюлозы и ее эфиров имеют форму не вытянутых жестких палочек, а свернутых согнутых цепей, что подтверждается изменением рентгенограмм вытянутых пленок, свидетельствующих об ориентации макромолекул, а также на­ личием высокоэластической деформации.

Целлюлоза относится к так называемым жесткоцепным по­ лимерам, характеризующимся высокой степенью ассиметрии макромолекул [79].

Степень ассиметрии и конформация могут существенно изменяться в зависимости от различных факторов. Экспери­ ментальные определения ассиметрии макромолекул в растворе почти не проводились. В результате расчетов было обнаружено шесть устойчивых конформаций, характеризующихся наличием водородных связей с энергией 16,7 кДж/моль. Присутствие та­ кого рода связи подтверждается многими экспериментальными данными [80]. Мэнли [81] выдвинул представление о складча­ той форме элементов надмолекулярной структуры, аналогич­ ной структуре полиэтилена. Однако это предположение об об­ разовании складок не только в элементах надмолекулярной структуры (микрофибриллы, кристаллиты), но и о возможно­ сти упорядоченного складывания макромолекул внутри кри­ сталла следует рассматривать как гипотезу, которая не может объяснить целый ряд свойств целлюлозы и ее эфиров.

Пока несомненными следует считать несколько важных положений о форме макромолекул целлюлозы и ее эфиров:

— высокая степень ассиметрии и согнутость макромоле­ кул, подтверждаемые ориентацией (вытягиванием) в силовом поле. Целлюлоза относится к жесткоцепным полимерам;

— конформация макромолекул может быть разнообразной, зависящей от внешних факторов. Отдельная молекула в рас­ творе имеет шесть предпочтительных конформаций. Основные связи — водородные;

— конформация макромолекул в существенной мере зави­ сит от степени полимеризации, с увеличением СП изогнутость молекул значительно возрастает.

Фазовое состояние и надмолекулярная структура

Вопрос о фазовом состоянии целлюлозы и ее производных (кристаллическое или аморфное) имеет не только теоретиче­ ское, но и практическое значение. Какое состояние равновес­ ное? Если аморфное, то самопроизвольно протекающие про­ цессы, обуславливающие переход в равновесное, должны при­ вести к постоянной дезориентации ориентированных в силовом поле материалов. Для кристаллических полимеров степень ориентации во времени повышается [82].

Вопрос о фазовом состоянии жесткоцепных полимеров, обладающих высокими степенью ориентации и уровнем энер­ гии взаимодействия, не столь однозначен, как для низкомоле­ кулярных соединений.

Высокоупорядоченные аморфные полимеры и кристалличе­ ские полимеры, обладающие различной степенью упорядочен­ ности (или дефектностью кристаллической решетки), могут обладать идентичной структурой, анизотропностью и т. д., но различаться по термодинамическим параметрам.

Поэтому для более корректной оценки фазового состояния кроме рентгенографического метода, используемого в настоя­ щее время многими исследователями, необходимо использова­ ние ряда дополнительных методов.

В настоящее время общепринято мнение [80] о наличие четырех кристаллических модификаций целлюлозы:

целлюлоза I — волокна растительного происхождения,

т.е. природная целлюлоза;

целлюлоза II — гидратцеллюлоза, т. е. природная целлю­ лоза, обработанная различными реагентами (щелочи, кислоты);

целлюлоза III —обработана жидким аммиаком;

целлюлоза IV — получена при высокотемпературной обработке.

Эти целлюлозы отличаются по параметрам ячейки кри­ сталлической решетки (по результатам рентгеноструктурного анализа). Для макромолекул всех целлюлоз характерно прохо­ ждение молекулярных цепей через кристаллические и аморф­ ные участки. С этим связаны наблюдаемые в электронном микроскопе такие элементы морфологической структуры, как мицелла или фибрилла [80].

В целом морфологическая структура, степень кристаллич­ ности, размер кристаллитов существенным образом сказыва­ ются на реакционной способности и самой целлюлозы, и ее производных. По результатам экспериментальных исследова­ ний целлюлозы и ее эфиров многие исследователи пришли к выводу, что, по крайней мере, полностью замещенные эфи­ ры целлюлозы имеют кристаллическую структуру. Частично замещенные эфиры целлюлозы, у которых заместители нахо­ дятся у разных углеродных атомов, не могут иметь не только ближнего, но и дальнего порядка. Расхождения в оценке фа­ зового состояния различными исследователями касаются не столько эфиров, сколь самой целлюлозы.

Каргин [83] подтверждал предположение об аморфной структуре целлюлозы следующими данными:

отсутствие совпадения рентгенограмм и электронограмм

урастянутой изотропной целлюлозной пленки (целлофана) свидетельствует об отсутствии дальнего порядка;

целлюлозные материалы не кристаллизуются при растя­

жении;

температура стеклования целлюлозы лежит выше тем­ пературы ее термического распада, следовательно, целлюлоз­ ные материалы не могут кристаллизоваться;

при нагревании целлюлозных материалов степень упо­ рядоченности снижается.

3.А. Роговин, напротив, считая эти соображения недоста­ точно убедительными, делает вывод о наличии у целлюлозы дальнего порядка и подтверждает кристаллическое строение следующими выводами:

возможность получения целлюлозы в виде макрокри­

сталла;

— переход из неупорядоченного состояния в высокоупоря­ доченное сопровождается резким изменением структурных и термодинамических показателей, что свидетельствует о на­ личии фазового перехода;

— самопроизвольное упорядочение дезориентированных образцов целлюлозы.

Общепринятой в настоящее время является модель элемен­ тарной фибриллы Денниса и Престона [84], представленная на рис. 70. Молекулярные цепи целлюлозы образуют кристал­ лическое ядро с высокой степенью упорядоченности. В реаль­ ных условиях элементарные фибриллы всегда ассоциированы в агрегаты, составляющие микрофибриллы.

Модель микрофибриллы, предложенная Фрей-Виссмингом [85, 86], по результатам рентгенографических исследований включает четыре элементарных фибриллы с поперечным сече­ нием 70...30 А, соединенные между собой паракристаллической фазой (рис. 71). Таким образом, микрофибрилла имеет поперечный размер 200... 100 А.

Итак, представленные выше модели базируются на кри­ сталлической структуре целлюлозы, однако межфибриллярная область значительно менее упорядочена и приближается к аморфной. Поэтому точка зрения 3. А. Роговина, видимо, более корректно отражает суть структуры целлюлозы: все пре­ параты целлюлозы структурно неоднородны. Структурная не­ однородность может направленно изменяться в широких пре­ делах в зависимости от условий и методов обработки целлю­ лоз. Большинство самопроизвольно протекающих процессов приводит к повышению степени ориентации образцов целлю­ лозы.

Результаты многочисленных исследований позволяют рас­ сматривать природную и высокоориентированную регенериро­ ванную целлюлозы как линейный полимер, в котором опреде­ ленным образом чередуются зоны с высокой и низкой степе­ нью ориентации подобно кристаллической структуре других линейных полимеров. Кристалличность зон с высокой степе­ нью ориентации показана исследователями с использованием методов двойного лучепреломления, магнитной анизотропии, флуоресценции, инфракрасного дихроизма и др. [87, 88, 89].

Межмакромолекулярные связи в целлюлозе могут быть трех типов: химические, водородные и слабого взаимодействия (ти­ па Ван-дер-Ваальса).

Наличие химических связей подтверждается рядом косвен­ ных данных. При образовании даже небольшого количества этих связей между макромолекулами целлюлозы или ее произ­ водных полностью исчезает растворимость целлюлозы и ее эфиров, уменьшается набухание и снижается разрывное удли­ нение волокон. Энергия химической связи как минимум на порядок превышает энергию водородной связи, а слабое взаи­ модействие на порядок меньше. Наличие значительного числа водородных связей в целлюлозе установлено ИК-спектроско- пией (изменение полосы поглощения гидроксильной группы). Наличие водородных связей, возможность их разрыва и по­ вторного образования является одним из основных факторов, определяющих ряд важных свойств целлюлозных материалов (растворимость, гигроскопичность, реакционную способность).

Межмолекулярные связи слабого взаимодействия, обладая меньшей энергией чем водородные, действуют на малых рас­ стояниях (2,65...5 А), причем, их интенсивность резко умень­ шается с увеличением расстояния между молекулами.

Нитраты (азотнокислые эфиры) целлюлозы

Нитроцеллюлоза1, как отмечалось выше, была получена в 1832 году обработкой концентрированной азотной кислотой хлопка, древесины, бумаги. С 1845 года для получения нитра­ тов стали широко применять нитрующие смеси, содержащие азотную и серную кислоты. НЦ использовали для получения пластмасс (целлулоида), бездымного пороха, искусственного волокна, кинопленки, лаковых покрытий. В последнее время

1Широко применяемое название нитрата целлюлозы неправильно, так как это не нитросоединение