Введение
Промышленные способы делигнификации растительного сырья с целью получения технической целлюлозы приводят к значительному загрязнению воздушного и водного бассейнов. Заводы, вырабатывающие сульфитную целлюлозу, в качестве основных реагентов используют диоксид серы, сернистую кислоту и ее соли. Серосодержащие продукты (лигносульфонаты, диоксид серы и др.), неизбежно попадающие при этом в сточную воду и газопылевые выбросы предприятия, заставляет производителей целлюлозы во всем мире отказываться от этого способа производства. Основное количество целлюлозы производится в настоящее время по сульфатному методу. Несмотря на довольно совершенную технологию, потери серы в окружающую среду (в виде диоксида серы, сероводорода, метилсернистых соединений) заставляют и этот способ производства считать экологически неблагополучным. В качестве альтернативного решения рассматривается делигнификация пероксокомплексами [4].
Однолетние растения во все большем масштабе вовлекаются в химическую переработку, в том числе для производства технической целлюлозы, как возобновляемое сырье с коротким периодом ротации. Выполненные ранее эксперименты подтвердили возможность переработки пшеничной соломы по разным вариантам пероксидной делигнификации с получением волокнистых полуфабрикатов приемлемого выхода и качества [3].
Материал и методы исследования
Материалом для исследования служила целлюлоза с массовой долей остаточного лигнина 3,2 %, изготовленная в лабораторных условиях перуксуснокислой варкой соломы (пероксидная целлюлоза). Высушенные на воздухе стебли пшеницы (Triticum sp.), заготовленной по окончании вегетационного периода, измельчили в лабораторной дисковой мельнице на отрезки длиной до 7 мм. Варку соломы выполнили со свежеприготовленной смесью уксусной кислоты, пероксида водорода и воды в отношении соответственно 65:12:23 (по массе) при жидкостном модуле 6 в присутствии каталитических количеств вольфрамата натрия (концентрация в растворе 0,0015 г×моль/дм3) по изотермическому режиму при температуре 80 оС и продолжительности обработки 4,5 ч.
Для измерения целлюлозных волокон использовали автоматический анализатор L&W Fiber Tester [6].
Изучили изменение этих характеристик в результате размола того же образца пероксидной соломенной целлюлозы. Для сравнения изготовили в лабораторных условиях образцы сульфатной целлюлозы из пшеничной соломы, а также пероксидной и сульфатной целлюлозы из еловой древесины. Все образцы имели близкие значения степени делигнификации (массовая доля лигнина 3,0...3,5 %). Образцы целлюлозы размололи в аппарате ЦРА до степени помола 28...30° ШР.
Поскольку размол является деструктивным процессом, исследование дополнили рядом показателей, характеризующих влияние механического воздействия на волокна. К ним относится, в частности, число локальных деформаций волокон - перегибов и изломов. Выполнили также сравнение прочностных свойств бумажных отливок из рассматриваемых видов волокнистых полуфабрикатов.
Результаты и их обсуждение
Размеры и форма целлюлозных волокон оказывают существенное влияние на свойства волокнистой суспензии (флокуляцию, реологические свойства и др.) и на качество бумаги и картона (прочность, гладкость, воздухопроницаемость и др.). Эти характеристики должны учитываться при составлении композиции волокнистой массы и организации всего технологического процесса.
Основные размерные характеристики волокон пероксидной целлюлозы из соломы (в скобках характеристики волокон сульфатной целлюлозы из того же сырья): число волокон в 1 г 20,0×103 (20,1×103) шт.; длина среднемассовая 1,34(1,22) мм; ширина среднемассовая 19,3 (17,8) мкм; толщина стенки 1,65 (1,65) мкм; грубость 0,158 (0,109) мг/м; форм-фактор 90,7 (86,3) %. Сравнение результатов измерений волокон с опубликованными данными [1, 5] подтвердило, что целлюлозные волокна из стеблей пшеничной соломы значительно отличаются от волокон хвойной древесины основными размерными характеристиками - длиной и шириной, и близки по этим свойствам к либриформным волокнам древесины лиственных пород (березы, осины).
Свойства размолотой целлюлозы приведены в таблице. В результате размола произошли изменения размеров целлюлозных волокон: заметно уменьшились средние значения их длины, в меньшей степени сократилась ширина. Более чувствительными к размолу по этим характеристикам оказались древесные волокна. В то же время в массе из соломенной целлюлозы зафиксировано большее количество появившейся при размоле «мелочи» - волокон короче 0,2 мм. Влияние способа варки менее заметно по величине, но более однозначно по характеру изменений отразилось на этих показателях: пероксидная целлюлоза оказалась устойчивее к деструктивным воздействиям, чем сульфатная.
Свойства волокон после размола
|
Свойства волокон |
Вид сырья |
|||
|
пшеничная солома |
еловая древесина |
|||
|
способ варки |
||||
|
пероксид-ный |
сульфат-ный |
пероксид-ный |
сульфат-ный |
|
|
Изменения в сравнении с волокнами до размола: - длина, % - ширина, % - форм-фактор, % Грубость, дГр Число изломов на 1 мм Число изломов на одно волокно Свойства отливок (75 г/м2): - плотность, г/см3 - «нулевая» разрывная длина, км - сопротивление продавливанию, кПа - жесткость при изгибе, мН×см - модуль упругости , ГПа |
68,9 93,8 98,1 52,9 0,50 0,42
0,60 12,6 300 28,8 3,24 |
69,6 88,2 103,1 38,7 0,63 0,50
0,54 12,9 162 40,0 2,45 |
62,9 85,8 100,0 103,3 0,28 0,26
0,71 12,6 376 24,0 5,95 |
57,2 80,3 104,8 73,7 0,36 0,32
0,56 11,9 210 27,7 3,30 |
Величина форм-фактора волокон у всех изученных образцов довольно высокая -88,4...90,0 %, на эту характеристику не оказали заметного влияния ни условия получения целлюлозы, ни её размол.
Тонкие и гибкие соломенные волокна более подвержены изгибам и изломам, независимо от способа получения.
По показателю грубости волокон, отнесенному Дж. Кларком к фундаментальным бумагообразующим свойствам [2], пероксидная целлюлоза превосходит сульфатную, соломенная значительно уступает древесной. В таком же порядке ранжируются два других фундаментальных свойства - длина волокон и плотность отливок, а также сопротивление бумажного листа продавливанию. На «нулевую» разрывную длину отливок вид растительного сырья и способ варки повлияли в меньшей степени, чем на другие фундаментальные свойства.
Вид растительного сырья существенно влияет на деформационные свойства целлюлозы. При одинаковых механических напряжениях оба образца из соломенной целлюлозы деформируются в большей степени, чем из древесной целлюлозы. Причиной этого, очевидно, является то, что структура отливки из соломенной целлюлозы сформирована из менее длинных, более тонких и более извитых волокон с большим числом изломов, с существенно меньшей грубостью, они легче деформируются и снижают жесткость структуры.
Заметное влияние на обсуждаемые свойства оказывает и способ делигнификации. Отливки из сульфатной целлюлозы более подвержены деформациям, чем отливки из пероксидной целлюлозы. Волокна пероксидной целлюлозы образуют более плотный и тонкий бумажный лист, чем сульфатная целлюлоза (при одинаковой массе 1 м2). Упругие и жесткостные свойства бумажного листа в сильной степени определяются межволоконными силами связи. Для пероксидного способа варки характерна более селективная делигнификация и сохранение углеводного комплекса (гемицеллюлоз и низкомолекулярных фракций целлюлозы), который обеспечивает развитие поверхности волокон при размоле, повышение когезионной способности и способности к уплотнению во влажном состоянии.
Заключение
Пероксидная целлюлоза из пшеничной соломы не уступает по фундаментальным (по Дж. Кларку) и технологическим свойствам сульфатной целлюлозе, полученной из того же растительного сырья.
Целлюлоза из пшеничной соломы имеет менее длинные, более тонкие и более извитые волокна с большим числом изломов, с существенно меньшей грубостью, но образует более плотный лист бумаги, который, вследствие этого, обладает большей прочностью на разрыв и продавливание и пониженной жесткостью при изгибе.
Пероксидный способ варки отличается «мягким» воздействием на целлюлозу в процессе делигнификации, что приводит к уменьшению степени деструкции волокон при размоле и наиболее полному использованию бумагообразующего потенциала полуфабриката.
Авторы благодарны заведующим кафедрами технологии целлюлозно-бумажного производства Ф. Х. Хакимовой (Пермский национальный исследовательский политехнический университет) и Я. В. Казакову (Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова) за содействие в определении размерных, прочностных и деформационных характеристик целлюлозы.
Рецензенты:
Алашкевич Юрий Давыдович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машин и аппаратов промышленных технологий, ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет Министерства образования и науки РФ, г. Красноярск.
Рязанова Татьяна Васильевна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой химической технологии древесины и биотехнологии, ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет Министерства образования и науки РФ, г. Красноярск.
Библиографическая ссылка
Пен Р.З., Каретникова Н.В., Вшивкова И.А., Пен В.Р. СВОЙСТВА ПЕРОКСИДНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ ИЗ ПШЕНИЧНОЙ СОЛОМЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 2. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=9047 (дата обращения: 20.04.2024).