Структурные особенности строения растительных макромолекул, их трансформация, в том числе каталитическая, с целью получения инновационных материалов

Объект исследования - макромолекулы растительных полисахаридов, в том числе пектины, целлюлоза, а также полисахаридные комплексы, лигноцеллюлозные композиции и производные на их основе, в том числе наноцеллюлоза. Цель исследования - выделение высокомолекулярных соединений (полисахаридов, полисахаридных комплексов, лигноцеллюлозы), а также неорганической компоненты из биомассы растений; разработка и изучение кислотно-каталитической трансформации биополимеров, в том числе деструкции и этерификации, с получением и исследованием физико-химических свойств полученных продуктов и материалов, в том числе неоргано-органических композитов. Представлены: химическая характеристика растительного сырья, структура индивидуальных полисахаридов и полисахаридных комплексов; разработка методов структурно-химической трансформации растительных макромолекул, с преобладающим применением каталитических систем различного вида; создание полифункциональных материалов на основе трансформированных биополимеров; методы анализа продуктов химической модификации целлюлозы. Проведены исследования по выделению, общей химической характеристике, анализу динамики накопления и характеру изменения моносахаридного состава пектин-, арабинан-, галактансодержащих полисахаридов и связующих гликанов, выделенных из древесной зелени ели P. abies в течение года. Выделенные полисахариды сопоставлены по выходу, составу и содержанию характерных компонентов с полисахаридами древесной зелени пихты сибирской A. sibirica. Показано, что в древесной зелени ели P. abies присутствует главным образом низкометилэтерифицированный пектин, экстрагируемый оксалатом аммония, в отличие от древесной зелени пихты A. sibirica, где присутствует главным образом высокометилэтерифицированный пектин, экстрагируемый водой. Наблюдаемое варьирование выхода качественного и количественного моносахаридного состава изучаемых полисахаридов определяется прежде всего родом хвойных деревьев, биологическими особенностями вида, условиями экстрагирования и фенофазой развития. На основе данных о динамике накопления и изменении моносахаридного состава пектинсодержащих полисахаридов определено оптимальное время сбора древесной зелени P. аbies и A. sibirica для выделения этих полисахаридов, а именно осенне-зимний период. Проведены первые структурные исследования полисахарида, полученного экстракцией водой древесной зелени ели. Исследованы растительные объекты на содержание и состав зольных веществ с целью выявления их кремнефильности и для прогнозирования их использования в рамках комплексной переработки для получения валового аморфного кремния разной степени чистоты. Предложен новый способ получения нанокристаллической целлюлозы в органических растворителях в присутствии гетерополикислот. Метод применён для получения наночастиц из целлюлоз различного вида (НКЦ). Получены анизотропные частицы с размерами 180 ÷ 250 нм в длину и толщиной 6 ÷ 10 нм, морфология которых исследована методами ПЭМ и атомно-силовой микроскопии. Методом рентгенографии установлено, что применяемый способ получения НКЦ не приводит к значительному изменению структуры внутрикристаллических областей микрофибрилл. Осуществлена модификация поверхности частиц НКЦ акрилонитрилом и фенольными кислотами в смешанных системах. Исследованы свойства гидрозолей на основе наночастиц целлюлозы. Получены и охарактеризованы продукты этерификации целлюлозы ангидридами кислот с использованием в качестве катализаторов ионных жидкостей. Изучено влияние величины pH на стадии озонирования лиственной сульфатной целлюлозы на кинетику реакции диоксида хлора с остаточным лигнином при последующей обработке озонированной целлюлозы. Изучено влияние величины pH на скорость расходования диоксида хлора при обработке в интервале 4 - 6,1, как технически наиболее важном. Исследовано влияние температуры в статических и динамических условиях нагрева неоргано-органических гибридов, полученных на основе целлюлозных и лигноцеллюлозных материалов действием раствора тетрахлорида титана в гексане. Показано, что в области температур 20 ÷ 240˚C изменения структурных характеристик целлюлозы незначительны. Методом рентгеноструктурного анализа подтверждено защитное действие лигнина в условиях нагрева на целлюлозную компоненту. Разработана методика определения титана (IV) в продуктах модификации целлюлозосодержащих материалов после воздействия на них тетрахлорида титана, позволяющая проводить количественный анализ его содержания в продукте и реакционной среде по экспресс-методу. Изучены физико-химические особенности синтеза полимерного композиционного материала в системе эпоксиполимерная матрица/гибридные ультрадисперсная или наноцеллюлоза с оксидом алюминия. Получены эпоксидные модифицированные композиционные полимеры с улучшенными физико-механическими (на 35%) и теплофизическими (на 16,5%) свойствами.