Синтез ди- и три-целлюлозного ацетата из целлюлозы рисовой шелухи и коммерческого микрокристаллического целлюлозы при катализе перхлората меди

Преобразование сельскохозяйственных отходов в полезные материалы

Ежегодно большие объемы рисовой шелухи после переработки сжигаются или выбрасываются, хотя в них содержатся ценные натуральные волокна. В то же время многие повседневные изделия зависят от пластмасс, получаемых из ископаемого сырья. В этом исследовании рассматривается способ превращения как рисовой шелухи, так и распространённой очищенной формы растительной целлюлозы в универсальный материал — целлюлозный ацетат — с помощью простого и более экологичного процесса. Работа показывает, как медный катализатор может помочь переработать растительные отходы в полимеры высокого качества, пригодные для фильтров, упаковки и других изделий.

От рисовых полей и порошков волокон к строительным блокам

Исследователи начали с двух источников целлюлозы — основного структурного вещества растений. Один источник — коммерческая микрокристаллическая целлюлоза, очищенный порошок, уже применяемый в таблетках и пищевых продуктах. Другой — целлюлоза, полученная из рисовой шелухи, обильного сельскохозяйственного побочного продукта, в котором целлюлоза смешана с гемицеллюлозой, лигнином и кремнезёмом. В ходе серии щелочных и отбеливающих обработок они удалили нежелательные компоненты из шелухи и подтвердили чистоту и кристаллическую структуру полученной целлюлозы методом инфракрасной спектроскопии и рентгеновской дифракции. Эти тесты показали, что выделенная целлюлоза рисовой шелухи обладает кристалличностью, подходящей для дальнейшей химической модификации.

Щадящий рецепт получения целлюлозного ацетата

Чтобы превратить обе целлюлозы в целлюлозный ацетат, команда использовала ангидрид уксусной кислоты, распространённый реагент для ацетилирования полимеров, совместно с катализатором перхлората меди. В отличие от многих традиционных методов, их подход не опирался на добавленные растворители и требовал лишь умеренных температур — около комнатной или 50 °C. Они систематически варьировали три ключевых параметра процесса: количество катализатора, время реакции и температуру. Для каждой комбинации измеряли выход продукта, степень замещения гидроксильных сайтов ацетатными группами и то, как эти изменения влияли на свойства материала.

Поиск оптимума условий

Эксперименты выявили ясные закономерности. Для коммерческой микрокристаллической целлюлозы при комнатной температуре увеличение как количества катализатора, так и времени реакции повышало выход и уровень ацетилирования, приводя к целлюлозному ацетату с очень высокой степенью замещения, близкой к теоретическому максимуму. При 50 °C однако чрезмерное количество катализатора или слишком длительная реакция начинали снижать выходы, вероятно из‑за разложения продукта после его полного образования. Для целлюлозы из рисовой шелухи повышение температуры с комнатной до 50 °C и использование больших нагрузок катализатора способствовали переходу материала от частично модифицированных форм к более полностью ацетилированному целлюлозному ацетату. Во всех сериях степень замещения тесно коррелировала с процентным содержанием ацетильных групп, что подтверждает эффективную активацию ангидрида уксусной кислоты перхлоратом меди для реакции с поверхностью целлюлозы.

Как меняются структура и термостойкость

После превращения целлюлозы команда использовала несколько методов, чтобы увидеть изменения структуры и теплового поведения. Инфракрасные спектры новых материалов показали сильные сигналы эстерификационных групп и исчезновение исходных полос гидроксила — явные признаки успешного ацетилирования и удаления остатков реагентов. Рентгеновские дифракционные картины показали, что ацетилированные образцы имеют более низкую кристалличность по сравнению с исходной целлюлозой рисовой шелухи, что отражает нарушение плотной укладки цепей целлюлозы объёмными ацетатными группами. Термальный анализ до 1000 °C показал, что целлюлозный ацетат из обоих источников разлагается в более узком и более высокотемпературном диапазоне, чем исходная целлюлоза рисовой шелухи, указывая на повышенную термическую стабильность при нагреве.

Почему это важно для более экологичных материалов

Проще говоря, это исследование демонстрирует, что медный катализатор может помочь превратить как очищенную целлюлозу, так и отходы рисовой шелухи в сильно модифицированный целлюлозный ацетат при мягких, безрастворительных условиях с ограниченным количеством реагентов. Регулируя температуру, загрузку катализатора и время, производители могут настраивать степень ацетилирования — от лёгкой до глубокой — что влияет на гибкость, технологичность и стабильность материала. Хотя в работе ещё не решён вопрос восстановления и повторного использования катализатора, метод предлагает перспективный путь для повышения ценности сельскохозяйственных остатков и сокращения зависимости от нефтехимических пластмасс, сохраняя при этом относительно простую и энергоэффективную химию.

Цитирование: Ragab, S., Sikaily, A.E. & El Nemr, A. Synthesis of di- and tri-cellulose acetate from rice husk cellulose and commercial microcrystalline by copper perchlorate catalyst. Sci Rep 16, 16422 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53816-6

Ключевые слова: целлюлозный ацетат, рисовая шелуха, зеленая химия, медный катализатор, биоразлагаемые полимеры