Свойства нитратов целлюлозы, полученных нитрованием бактериальной целлюлозы с использованием смеси азотной и серной кислот

   Целью проведенного исследования являлось изучение химической функционализации бактериальной целлюлозы как альтернативного источника целлюлозы в связи с высокой востребованностью наноразмерных нитратов целлюлозы.

   Бактериальная целлюлоза со степенью полимеризации 3950 была получена с использованием в качестве продуцента симбиотической культуры Medusomyces gisevii Sa-12 на синтетической глюкозной среде. Нитрование проводилось смесью азотной и серной кислот с различным содержанием воды с последующей стабилизацией синтезированных нитратов бактериальной целлюлозы. Нитраты бактериальной целлюлозы характеризовались массовой долей азота в диапазоне от 8,68 до 11,56 %, растворимостью в спиртоэфирной смеси 16,5–91,0 %, вязкостью 32–255 мПа×с в зависимости от содержания воды (14, 16 и 20 %) в нитрующей смеси. Наноразмерный характер волокон нитратов бактериальной целлюлозы сохранился. Методами совместного термогравиметрического и дифференциально-термического анализа установлены высокая химическая чистота и энергоемкость нитратов бактериальной целлюлозы. Методом инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье установлено высокое качество бактериальной целлюлозы в связи с наличием основных функциональных групп, характерных для целлюлозы классического происхождения: 3371, 2943, 1633, 1428, 1371, 1163, 1112 см^-1. В инфракрасных спектрах образцов нитратов бактериальной целлюлозы зарегистрированы основные функциональные группы, подтверждающие, что синтезированные продукты являются низкозамещенными азотнокислыми эфирами целлюлозы: 1660–1643, 1282–1276, 847–837, 752–749, 691–690 см^-1. Установлено, что зависимость свойств синтезированных нитратов бактериальной целлюлозы от массовой доли воды в серно-азотной смеси имеет сложный характер.

1. Andriani D., Apriyana A.Y., Karina M. The optimization of bacterial cellulose production and its applications : a review // Cellulose. 2020. Vol. 27. P. 6747–6766. DOI: 10.1007/s10570-020-03273-9.

2. Рогожин В.В., Рогожин Ю.В. Medusomyces gisevii: строение, функционирование и использование // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2017. Т. 7. N 4. С. 24–35. DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-4-24-35. EDN: YMQFOA.

3. Hu W., Chen S., Yang J., Li Z., Wang H. Functionalized bacterial cellulose derivatives and nanocomposites // Carbohydrate Polymers. 2014. Vol. 101. P. 1043–1060. DOI: 10.1016/j.carbpol.2013.09.102.

4. Rahman M.S., Hasan M.S., Nitai A.S., Nam S., Karmakar A.K., Ahsan M.S., et al. Recent developments of carboxymethyl cellulose // Polymers. 2021. Vol. 13, no. 8. P. 1345. DOI: 10.3390/polym13081345.

5. Alharbi N.D., Guirguis O.W. Macrostructure and optical studies of hydroxypropyl cellulose in pure and Nano-composites forms // Results in Physics. 2019. Vol. 15. P. 102637. DOI: 10.1016/j.rinp.2019.102637.

6. Tan W., Zhang J., Zhao X., Li Q., Dong F., Guo Z. Preparation and physicochemical properties of antioxidant chitosan ascorbate/methylcellulose composite films // International Journal of Biological Macromolecules. 2020. Vol. 146. P. 53–61. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2019.12.044.

7. Nursyafiqah J.R., Siti Hasnawati J., Jahwarhar Izuan A.R., Mohd Nor Faiz N., Ong K.K., Wan Md Zin W.Y. Response surface methodology for optimization of nitrocellulose preparation from nata de coco bacterial cellulose for propellant formulation // Heliyon. 2024. Vol. 10, no. 4. P. e25993. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e25993.

8. Siti Hasnawati J., Nursyafiqah J.R., Noor Aisyah A.S., Siti Aminah M.N., Ong K.K., Wan Md Zin W.Y. Conversion of bacterial cellulose to cellulose nitrate with high nitrogen content as propellant ingredient // Solid State Phenomena. 2021. Vol. 317. P. 305–311. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.317.305.

9. Nursyafiqah J.R., Siti Hasnawati J., Ong K.K., Wan Md Zin W.Y. Preliminary study on the effect of sulphuric acid to nitric acid mixture composition, temperature and time on nitrocellulose synthesis based Nata de Coco // Solid State Phenomena. 2021. Vol. 317. P. 312–319. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.317.312.

10. Huang J., Zhao M., Hao Y., Wei Q. Recent advances in functional bacterial cellulose for wearable physical sensing applications // Advanced Materials Technologies. 2022. Vol. 7, no. 1. P. 2100617. DOI: 10.1002/admt.202100617.

11. Chandel N., Jain K., Jain A., Raj T., Patel A.K., Yang Y.-H., et al. The versatile world of cellulose-based materials in healthcare: from production to applications // Industrial Crops and Products. 2023. Vol. 201. P. 116929. DOI: 10.1016/j.indcrop.2023.116929.

12. Cao X., Nan F., Zheng Y., Chen L., He W. Hygroscopicity of nitrocellulose with different nitrogen content // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2024. Vol. 49, no. 3. P. e202300035. DOI: 10.1002/prep.202300035.

13. Chen L., Cao X., Gao J., Wang Y., Zhang Y., Liu J., et al. Synthesis of 3D porous network nanostructure of nitrated bacterial cellulose gel with eminent heat-release, thermal decomposition behaviour and mechanism // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2021. Vol. 46, no. 8. P. 1292–1303. DOI: 10.1002/prep.202100010.

14. Shavyrkina N.A., Skiba E.A., Kazantseva A.E., Gladysheva E.K., Budaeva V.V., Bychin N.V., et al. Static culture combined with aeration in biosynthesis of bacterial cellulose // Polymers. 2021. Vol. 13, no. 23. P. 4241. DOI: 10.3390/polym13234241.

15. Корчагина А.А., Будаева В.В., Алешина Л.А., Люханова И.В., Бычин Н.В., Сакович Г.В. Модификация растительной целлюлозы и ее синтетического аналога в низкозамещенные продукты этерификации // Известия высших учебных заведений. Серия Химия и химическая технология. 2022. Т. 65. N 6. С. 64–74. DOI: 10.6060/ivkkt.20226506.6598. EDN: QGXUCZ.

16. Budaeva V.V., Gismatulina Y.A., Mironova G.F., Skiba E.A., Gladysheva E.K., Kashcheyeva E.I., et al. Bacterial nanocellulose nitrates // Nanomaterials. 2019. Vol. 9, no. 12. P. 1694. DOI: 10.3390/nano9121694.

17. Sun D.-P., Ma B., Zhu C.-L., Liu C.-S., Yang J.-Z. Novel nitrocellulose made from bacterial cellulose // Journal of Energetic Materials. 2010. Vol. 28, no. 2. P. 85–97. DOI: 10.1080/07370650903222551.

18. Liu J. Nitrate esters chemistry and technology. Singapore: Springer, 2019. 684 p. DOI: 10.1007/978-981-13-6647-5.

19. Gismatulina Yu.A. Promising energetic polymers from nanostructured bacterial cellulose // Polymers. 2023. Vol. 15, no. 9. P. 2213. DOI: 10.3390/polym15092213.

20. Singhania R.R., Patel A.K., Tseng Y.-S., Kumar V., Chen C.-W., Haldar D., et al. Developments in bioprocess for bacterial cellulose production // Bioresource Technology. 2022. Vol. 344. P. 126343. DOI: 10.1016/j.biortech.2021.126343.

21. Wahid F., Huang L.-H., Zhao X.-Q., Li W.-C., Wang Y.-Y. Bacterial cellulose and its potential for biomedical applications // Biotechnology Advances. 2021. Vol. 53. P. 107856. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2021.107856.

22. 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. P. 1485–1496. DOI: 10.1007/s10973-016-5293-1.

23. 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. DOI: 10.1039/d0nj05484d.

24. Duan X., Li Z., Shi X., Pei C. Giant panda feces: potential raw material in preparation of nitrocellulose for propellants // Cellulose. 2023. Vol. 30. P. 3127–3140. DOI: 10.1007/s10570-023-05054-6.

25. 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. DOI: 10.1002/macp.201900358.

26. Gao X., Jiang L., Xu Q., Wu W.-Q., Mensah R.A. Thermal kinetics and reactive mechanism of cellulose nitrate decomposition by traditional multi kinetics and modeling calculation under isothermal and non-isothermal conditions // Industrial Crops and Products. 2020. Vol. 145. P. 112085. DOI: 10.1016/j.indcrop.2020.112085.

27. Duan X., Li Z., Wu B., Shen J., Pei C. Preparation of nitrocellulose by homogeneous esterification of cellulose based on ionic liquids // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2023. Vol. 48, no. 2. P. e202200186. DOI: 10.1002/prep.202200186.

28. Tarchoun A.F., Trache D., Klapötke T.M., Krumm B., Mezroua A., Derradji M., et al. Design and characterization of new advanced energetic biopolymers based on surface functionalized cellulosic materials // Cellulose. 2021. Vol. 28. P. 6107–6123. DOI: 10.1007/s10570-021-03965-w.