Техническая целлюлоза в химическом отношении представляет собой природный композиционный материал, полученный в результате Химической обработки исходного растительного сырья и состоящий из целлюлозы, гемицеллюлоз, лигнина и экстрактивных веществ. В зависимости от источника происхождения волокна целлюлозы имеют длину от 1-5 мм (древесная целлюлоза) до 30 мм и большую (хлопковая и льняная целлюлоза).
Целлюлоза – природный линейный полимер регулярного строения, построенный из элементарных звеньев, представляющих собой остатки глюкозы, которые соединены между собой глюкозидными связями.
Если весь углерод, который находится на планете, принять за 100 %, то на долю растений, в которых содержится целлюлоза, приходится 99 %.
Целлюлоза нерастворима в воде, щелочах и слабых кислотах. При концентрации серной кислоты более 65 % и 40 % для соляной кислоты целлюлоза способна растворяться в неорганических кислотах.
Каждое элементарное звено целлюлозы, за исключением концевых звеньев, содержит три гидроксильные группы, которые во многом определяют химические и физические свойства целлюлозы.
Большое количество гидроксильных групп придает целлюлозе способность набухать в воде и поглощать влагу из воздуха (гидрофильность и гигроскопичность). Кроме того, используя способность гидроксильных групп целлюлозы вступать в различные реакции, из целлюлозы получают ряд ее производных, которые нашли широкое применение в полиграфии.
Сложный эфир целлюлозы - нитроцеллюлоза используется в качестве одного из компонентов лака, который широко применяется при изготовлении красок и переплетов. Простые эфиры целлюлозы – натриевая соль, карбоксиметилцеллюлозы (натрий КМЦ) в качестве клея, а этилцеллюлоза в качестве загустителя некоторых водорастворимых красок.
Количество элементарных звеньев в молекуле природной древесной целлюлозы (степень полимеризации) находится в пределах 6-14 тысяч. В процессе выделения из древесины часть макромолекул целлюлозы разрушается, и поэтому степень полимеризации технической целлюлозы колеблется в пределах 600-3000. От 100 до 200 линейных макромолекул целлюлозы объединены в пучки неопределенной длины, которые называют микрофибриллами. В свою очередь, микрофибриллы, располагаясь по спирали, образуют агрегаты из макрофибрилл, которые носят название фибрилл. Совокупность фибрилл образует волокно.
Содержание целлюлозы определяется видом растительного сырья. Так, в древесине содержится около 40-50 % целлюлозы, в хлопке и льне 70-85 %. Меньше всего целлюлозы содержится во мхах и коре деревьев (20-30 %).
Гемицеллюлозы представляют собой разветвленные полимеры, построенные из остатков различных углеводов (глюкозы, ксилозы, маннозы, галактозы, арабинозы, глюкуроновой кислоты и т.д.). В отличие от целлюлозы они имеют значительно меньшую степень полимеризации (до 300), хорошо набухают в воде и растворимы в щелочах. Аналогично целлюлозе гемицеллюлозы растворяются в концентрированных неорганических кислотах. Наличие определенного количества гемицеллюлоз в технической целлюлозе: способствует повышению механической прочности изготовленной бумаги, улучшает проклейку бумаги и способность ее к размолу. Количество гемицеллюлоз в технической целлюлозе колеблется в зависимости от ее видя и обычно для древесных целлюлоз составляет 5-10 %.
Лигнин – природный полимер нерегулярного строения, построенный из различного рода фенилпропановых структурных единиц. Содержание лигнина в древесине составляет 20-29 %. Лиственная древесина содержит на 10 % меньше лигнина, чем хвойная. Природный лигнин, который находится в древесине, практически полностью нерастворим в известных неорганических растворителях, нерастворим в минеральных кислотах и очень плохо растворим в органических кислотах при обычных температурах. В первом приближении можно представить, что лигнин скрепляет волокна древесины, препятствуя их распаду на отдельные волокна. Таким образом, наличие лигнина в технической целлюлозе отрицательно сказывается на бумагообразующих свойствах технической целлюлозы, так как грубые (скрепленные) волокна плохо размалываются в процессе производства бумаги.
Целлюлозный полуфабрикат, содержащий 15-20 % лигнина, называют полуцеллюлозой. Полуцеллюлоза не нашла широкого применения при получении печатных видов бумаг.
Даже небольшое присутствие лигнина в технической целлюлозе, используемой для получения полиграфических видов бумаг, нежелательно. Лигнин обладает свойством желтеть со временем. Такое явление носит название реверсии белизны. Поэтому в беленых видах целлюлозы содержание лигнина исчисляется десятыми долями процента.
Понятие экстрактивных веществ охватывает большое число разных соединений, которые можно извлекать из технической целлюлозы органическими растворителями и водой. Экстрактивные вещества включают в себя почти все классы органических соединений. Несмотря на незначительное содержание (0,2-1,5 %) в технической целлюлозе, экстрактивные вещества играют отрицательную роль при получении бумаги. Появление пятен и пожелтение целлюлозы связывают с ними. В то же время некоторые из экстрактивных веществ способны подавлять действие бактерий, которые, в свою очередь, вызывают деструкцию бумаги в процессе ее длительного хранения.
Способы производства технической целлюлозы. Все методы получения технической целлюлозы основаны на удалении лигнина и части гемицеллюлоз из растительного сырья. В основу классификации способов получения целлюлозы положен вид реагентов, используемых для обработки древесины. По виду реагентов промышленные способы получения целлюлозы делятся на сульфатные и сульфитные варки. В сульфатном способе варочным реагентом служит смесь едкого натра (NaOH) и сульфида натрия (Na2S). При получении целлюлозы по сульфитному способу варочным реагентом служат сульфитная кислота (H2S03) и ее натриевые, кальциевые и магниевые соли. В настоящее время входят в практику новые способы получения целлюлозы, в основе которых лежат реакции окисления лигнина, кислородом (кислородно-щелочная варка), а также методы, основанные на действии органических растворителей на древесину при высоких температурах (органосольвентная варка). Применение новых методов связано с экологической опасностью сульфитного и сульфатного способов получения целлюлозы.
Независимо от способа получения технической целлюлозы сырье, которое поступает на целлюлозный комбинат в виде бревен диаметром 60-240 мм (возраст 50-200 лет) и длиной 6-7 м, распиливается на отрезки длиной 2 – 2,5 м, очищается от коры на корообдирочных машинах и рубится в щепу на рубительных машинах. После сортировки, на которой отбирается технологическая щепа с размером, примерно равным 10 30 мм, она поступает в варочный котел. В котле щепу пропитывают варочным раствором, содержимое котла нагревают до температуры 140-150°С (сульфитный способ) и 160-180°С (сульфатный способ). В процессе варки щепа пропитывается варочным раствором и за счет действия химических реагентов, которые растворяют преимущественно лигнин и часть гемицеллюлоз. При этом щепа распадается на волокна, которые промываются водой и подвергаются очистке. В процессе очистки волокно поступает в сортировки, где происходит отделение собственно волокна от различных сопутствующих варке загрязнений: песка, коры, непровара, сучков и прочего сора.
Продукт с выходом 40-50 % от древесины называется целлюлозой нормального выхода. В зависимости от содержания в ней лигнина целлюлозу разделяют на жесткую (3-8 % лигнина), целлюлозу средней жесткости (1,5-3 % лигнина) и мягкую (менее 1,5% лигнина).
Целлюлоза после варки имеет сравнительно низкую белизну, которая обычно составляет 25-65 %. Целлюлоза, полученная по сульфитному способу, имеет более высокую белизну по сравнению с сульфатной. Полуфабрикаты с такой белизной непригодны для получения печатных видов бумаги. Процесс повышения белизны целлюлозы называется отбелкой. Для отбелки небеленой целлюлозы используются так называемые отбеливающие реагенты, представляющие собой хлор и его производные (гипохлорит натрия - NaCIO, двуокись хлора -СIO2 кислород, пероксид водорода (Н2O2) а также вспомогательные вещества (едкий натр, сульфитная кислота). Основные процессы, протекающие при отбелке целлюлозы, заключаются в удалении лигнина и экстрактивных веществ. Отбелку проводят при невысокой температуре (20-45°С) комбинированным методом – путем многократного и попеременного действия на целлюлозный полуфабрикат белящих реагентов. Количество ступеней отбелки обычно составляет 5-7 стадий. Отбелка целлюлозы сопровождается потерей ее механической прочности на 5-7 % от исходной. После отбелки целлюлоза имеет белизну порядка 76-88%.
Свойства целлюлозы, полученной сульфитным и сульфатным способами, значительно различаются. Волокна сульфатной целлюлозы придают бумаге высокую механическую прочность. При добавке сульфатной целлюлозы в композицию бумаги повышается ее прочность во влажном состоянии. Несмотря на то, что из сульфитной целлюлозы получается менее прочная бумага, волокна сульфитной целлюлозы придают бумаге пухлость, пористость, впитывающую способность, свойства, которые очень ценятся при производстве печатных видов бумаги.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему