Synthesis of cellulose nitrates from Miscanthus × giganteus var. KAMIS cellulose obtained under pilot production conditions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The work is devoted to the study of a novel national raw material resource Miscanthus × Giganteus var. KAMIS, which is positioned as one of the most promising natural sources for obtaining high-quality cellulose for the purpose of its further chemical functionalisation. A batch of technical cellulose isolated from raw materials under pilot production conditions using the nitric acid method having a cellulose content of 50.2% was characterized by high α-cellulose mass fraction (92.8%) and degree of polymerisation (1200) values. On the basis of the pilot batch of technical cellulose, a sample of cellulose nitrates offering basic functional properties was obtained: mass fraction of nitrogen – 11.18%; viscosity – 48 MPa·s; solubility – 94%. The synthesised sample is characterized by extremely high solubility in acetone, confirming the production of cellulose nitric acid esters, and a high yield of 150%. IR-Fourier spectroscopy was used to identify the main functional groups in the experimental batch of technical cellulose (3384, 2902, 1639, 1428, 1370, 1319, 1161, 700–500 cm-1) and in a sample of cellulose nitrates (1659, 1278, 834, 746, 683 cm-1). Acorresponding affiliation to cellulose and cellulose nitric acid esters was established. The structural and morphological features of the fibres of the experimental batch of technical cellulose and a sample of cellulose nitrates were characterised using scanning electron microscopy. Combined methods of thermogravimetric and differential thermal analyses were used to establish high initial temperature (197 °C) and specific heat of decomposition (6.92 kJ/g) values at the beginning of intensive decomposition. The obtained results substantiate the possibility to chemically functionalise cellulose isolated from a new alternative source into cellulose nitric acid esters with satisfactory functional properties.

About the authors

A. A. Korchagin

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: yakusheva89_21.ru@mail.ru

References

  1. Misenan M.S.M., Norrrahim M.N.F., Saad M.M., Shaffie A.H., Zulkipli N.A., Farabi M.A. Recent advances in nitrocellulose-based composites / Synthetic and Natural Nanofillers in Polymer Composites. 2023. P. 399–415. https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19053-7.00004-4.
  2. Tarchoun A.F., Trache D., Abdelaziz A., Harrat A., Boukecha W.O., Hamouche M.A., et al. Elaboration, characterization and thermal decomposition kinetics of new nanoenergetic composite based on hydrazine 3-nitro-1, 2, 4-triazol-5-oneandnanostructuredcellulose nitrate / Molecules. 2022. Vol. 27, no. 20. P. 6945. https://doi.org/10.3390/molecules27206945.
  3. Carter E.A., Swarbrick B., Harrison T.M., Ronai L. Rapid identification of cellulose nitrate and cellulose acetate film in historic photograph collections / Heritage Science. 2020. Vol. 8, no. 1. P. 51. https://doi.org/10.1186/s40494-020-00395-y.
  4. Costa A.M.F., de Aguiar Filho S.Q., Santos T.J., Pereira D.H. Theoretical insights about the possibility of removing Pb2+ and Hg2+ metal ions using adsorptive processes and matrices of carboxymethyl diethylaminoethyl cellulose and cellulose nitrate biopolymers / Journal of Molecular Liquids. 2021. Vol. 331. P. 115730. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.115730.
  5. Gouda A.A., El Sheikh R., Youssef A.O., Gouda N., Gamil W., Khadrajy H.A. Preconcentration and separation of Cd(II), Co(II), Cu(II), Ni(II), and Pb(II) in environmental samples on cellulose nitrate membrane filter prior to their flame atomic absorption spectroscopy determinations / International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2020. Vol. 100, no. 4. P. 364–377. https://doi.org/10.1080/03067319.2020.1858070.
  6. Roldão É., Parola A.J., Vilarigues M., Lavédrine B., Ramos A.M. Unveiling the colours of cellulose nitrate black and white film-based negatives in colonial photography / Studies in Conservation. 2019. Vol. 65, no. 2. P. 1–9. https://doi.org/10.1080/00393630.2019.1662672.
  7. Ioelovich M.J.I. Study of thermal energy of alternative solid fuels / Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2018. Vol. 8, no. 4. P. 117–124. http://dx.doi.org/10.21285/2227-2925-2018-8-4-117-124.
  8. Zhang Y., Deng W., Wu M., Rahmaninia M., Xu C., Li B. Tailoring functionality of nanocellulose: current status and critical challenges / Nanomaterials. 2023. Vol. 13. P. 1489. https://doi.org/10.3390/nano13091489.
  9. Korchagina А.А., Budaeva V.V., Kukhlenko А.А. Esterification of oat-hull cellulose / Russian Chemical Bulletin. 2019. Vol. 68, no. 6. P. 1282–1288. https://doi.org/10.1007/s11172-019-2554-8.
  10. Sakovich G.V., Budaeva V.V., Korchagina A.A., Gismatulina Yu.A., Kozyrev N.V., Vakutin A.G. Oat-hull cellulose nitrates for explosive compositions / Doklady Chemistry. 2019. Vol. 487, no. 2. P. 221–225. https://doi.org/10.1134/S0012500819080020.
  11. Korchagina A.А., Budaeva V.V., Aleshina L.A., Lyukhanova I.V., Bychin N.V., Sakovich G.V. Modification of plant cellulose and its synthetic analogue into lowsubstituted esterification products / ChemChemTech. 2022. Vol. 65, no. 6. P. 64–74. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20226506.6598.
  12. Yolhamid M.N.A.G., Ibrahim F., Zarim M.A.U.A.A., Ibrahim R., Adnan S., Yahya M.Z.A. The processing of nitrocellulose from rhizophora, palm oil bunches (EFB) and kenaf fibres as a propellant grade / International Journal of Engineering & Technology. 2018. Vol. 7, no. 4. P. 59–65.
  13. Muvhiiwa R., Mawere E., Moyo L.B., Tshuma L. Utilization of cellulose in tobacco (Nicotiana tobacum) stalks for nitrocellulose production / Heliyon. 2021. Vol. 7, no. 7. P. e07598. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e07598.
  14. Duan X., Li Z., Shi X., Pe C. Giant panda feces: potential raw material in preparation of nitrocellulose for propellants / Cellulose. 2023. Vol. 30. P. 3127–3140. https://doi.org/10.1007/s10570-023-05054-6.
  15. Торгун И.Н., Никишов В.П., Бучнев И.И., Куценко Г.В., Ибрагимов Н.Г., Иванова И.П.. Лен в пороховой промышленности: монография. М.: ФГУП «ЦНИИХМ», 2012. 248 с. EDN: SJIEYB.
  16. Бобков С.А., Никишов В.П. Перспективы использования льняного сырья в интересах Министерства обороны Российской Федерации / Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2019. N 3. С. 38–43. EDN: NEULDA.
  17. Витебская А.В., Остроглядова О.И. Развитие потенциала Калининградской области за счет возобновляемых альтернативных источников энергии / Бизнес. Образование. Право. 2023. Т. 62. N 1. С. 159–162. https://doi.org/10.25683/VOLBI.2023.62.576. EDN: JBIRLM.
  18. Капустянчик С.Ю., Якименко В.Н. Мискантус – перспективная сырьевая, энергетическая и фитомелиоративная культура (литературный обзор) / Почвы и окружающая среда. 2020. Т. 3. N 3. С. 1–14. https://doi.org/10.31251/pos.v3i3.126. EDN: TAOQSK.
  19. Gushchina V.A., Volodkin A.A., Ostroborodova N.I., Lykova A.S. The key aspects of the production process of Myscanthus giganteus under the conditions of the Middle Volga region / Volga Region Farmland. 2020. Vol. 4, no. 8. P. 32–37. https://doi.org/10.26177/VRF.2020.8.4.007.
  20. Шавыркина Н.А., Гисматулина Ю.А., Будаева В.В. Перспективы химической и биотехнологической переработки мискантуса / Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022. Т. 12. N 3. С. 383–393. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-3-383-393. EDN: VAZQGS.
  21. Gismatulina Y.A., Budaeva V.V., Kortusov A.N., Kashcheyeva E.I., Gladysheva E.K., Mironova G.F., et al. Evaluation of chemical composition of Miscanthus×giganteus raised in different climate regions in Russia / Plants. 2022. Vol. 11, no. 20. P. 2791. https://doi.org/10.3390/plants11202791.
  22. Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V. Chemical composition of five Miscanthus sinensis harvests and nitric-acid cellulose therefrom / Industrial Crops and Products. 2017. Vol. 109. P. 227–232 https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.08.026.
  23. Ovchinnikovа E.V., Mironova G.F., Banzaraktsaeva S.P., Skiba E.A., Budaeva V.V., Kovgan M.A., et al. Bioprocessing of oat hulls to ethylene: Impact of dilute HNO3or NaOH pretreatment on process efficiency and sustainability / ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2021. Vol. 9, no. 49. Р. 16588–16596. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c05112.
  24. Gensh K.V., Kolosov P.V., Bazarnova N.G. Quantitative analysis of cellulose nitrates by Fourier transform infrared spectroscopy / Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2011. Vol. 37, no. 7. P. 814–816. https://doi.org/10.1134/S1068162011070077.
  25. Гисматулина Ю.А., Кортусов А.Н., Будаева В.В., Сакович Г.В. Исследование химического состава промышленно значимой для России культуры – мискантуса гигантского – урожаев 2019-2021 гг. / Экология и промышленность России. 2022. Т. 26. N 11. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2022-11-55-59. EDN: LELATM.
  26. Wang C., Kong Y., Hu R., Zhou G. Miscanthus: a fast–growing crop for environmental remediation and biofuel production / GCB Bioenergy. 2021. Vol. 13, no. 1. P. 58–69. https://doi.org/10.1111/gcbb.12761.
  27. Пономарев Б.А., Русин Д.Л., Серегин В.В., Леонова Е.В., Беликова Т.А. Получение нитратов целлюлозы из льняной целлюлозы с учетом экономических и экологических факторов / Успехи в химии и химической технологии. 2011. Т. 25. N 12. С. 40–44. EDN: RARWVR.
  28. Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Cellulose nitrates from intermediate flax straw / Russian Chemical Bulletin. 2016. Vol. 65, no. 12. P. 2920–2924. https://doi.org/10.1007/s11172-016-1678-3. EDN: XNEZVS.
  29. Сакович Г.В., Будаева В.В., Корчагина А.А., Гисматулина Ю.А. Перспективы нитратов целлюлозы из нетрадиционного сырья для взрывчатых составов / Химия растительного сырья. 2019. N 1. С. 259–268. https://doi.org/10.14258/jcprm.2019014336. EDN: ZACFML.
  30. Валишина З.Т., Иванова А.В., Мухаметшин Б.Ф., Александров А.А., Косточко А.В. Исследование свойств азотнокислых эфиров целлюлозы на основе пеньковой целлюлозы / Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. N 18. С. 65–68. EDN: WYBSAT.
  31. Валишина З.Т., Александров А.А., Хакимзянова Р.И., Косточко А.В. Исследование кинетики этерификации пеньковой целлюлозы / Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. N 23. С. 13–16. EDN: YLCTQL.
  32. Adekunle I.M. Production of cellulose nitrate polymer from sawdust / Journal of Chemistry. 2010. Vol. 7, no. 3. P. 709–716. https://doi.org/10.1155/2010/807980.
  33. Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Nitrocellulose synthesis from miscanthus cellulose / Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2018. Vol. 43. P. 96–100. https://doi.org/10.1002/prep.201700210.
  34. Gismatulina Yu.A., Budaeva V.V., Sakovich G.V. Nitric acid preparation of cellulose from miscanthus as a nitrocellulose precursor / Russian Chemical Bulletin. 2015. Vol. 64, no. 12. P. 2949–2953. https://doi.org/10.1007/s11172-015-1252-4.
  35. Liu J. Nitrate esters chemistry and technology. Singapore: Springer Nature, 2019. P. 469–580.
  36. Кушнир Е.Ю., Шахова А.Г., Базарнова Н.Г., Кымбатбекова М.К., Афанасенкова И.В. Делигнификация растительного сырья под воздействием микроволнового излучения. ИКспектры и индексы упорядоченности целлюлозы / Химия растительного сырья. 2020. N 4. С. 101–107. https://doi.org/10.14258/jcprm.2020048962. EDN: QBVPHI.
  37. Михаилиди А.М., Котельникова Н.Е., Геньш К.В., Кушнир Е.Ю., Базарнова Н.Г. Состав и свойства древесины и целлюлозы тропических пород растений / Химия растительного сырья. 2013. N 1. С. 15–28. EDN: RCYJXT.
  38. Trache D., Khimeche K., Mezroua A., Benziane M. Physicochemical properties of microcrystalline nitrocellulose from Alfa grass fibres and its thermal stability / Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2016. Vol. 124, no. 3. P. 1485–1496. https://doi.org/10.1007/s10973-016-5293-1.
  39. Tarchoun A.F., Trache D., Klapötke T.M., Chelouche S., Derradji M., Bessa W., et al. A promising energetic polymer from Posidonia oceanica brown algae: synthesis, characterization, and kinetic modeling / Macromolecular Chemistry and Physics. 2019. Vol. 220, no. 22. P. 1900358. https://doi.org/10.1002/macp.201900358.
  40. Tarchoun A.F., Trache D., Klapötke T.M., Belmerabet M., Abdelaziz A., Derradji M., et al. Synthesis, characterization, and thermal decomposition kinetics of nitrogen-rich energetic biopolymers from aminated giant reed cellulosic fibers / Industrial & Engineering Chemistry Research. 2020. Vol. 59, no. 52. P. 22677– 22689. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c05448.
  41. Tarchoun A.F., Trache D., Klapötke T.M., Selmani A., Saada M., Chelouche S., et al. New insensitive high-energy dense biopolymers from giant reed cellulosic fibers: their synthesis, characterization, and non-isothermal decomposition kinetics / New Journal of Chemistry. 2021. Vol. 45, no. 11. P. 5099–5113. https://doi.org/10.1039/d0nj05484d.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».