Технология волокнистых полуфабрикатов

ТЕХНОЛОГИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА И МЕТОДЫ ЕЕ ПРОИЗВОДСТВА

где п — степень полимеризации (СП).

Н а одном конце макромолекулы целлюлозы находится звено, имеющее дополнительный вторичный спиртовой гидролиз у 4-го атома углерода, на другом — звено, имеющее свободный глюкозидйыи (полуацетальный) гидроксил у 1-го атома углерода. Это звено придает целлюлозе восстанавливающие (редуцирующие) свойства.

Степень полимеризации природной древесной целлюлозы находится в пределах 6000—14 000. СП характеризует длину линейных макромолекул целлюлозы и, следовательно, определяет те свойства целлюлозы, которые зависят от длины целлюлозных цепей. Любой образец целлюлозы состоит из макромолекул различной длины, т. е., является полидисперсным. Поэтому СП обычно представляет усредненную степень полимеризации. СП целлюлозы связана с молекулярной массой соотношением СП = М/162, где 162 — молекулярная масса элементарного звена целлюлозы. В природных волокнах (оболочке клеток) линейные цепевидные макромолекулы целлюлозы водородными и межмолекулярными силами связи объединены в микрофибриллы неопределенной длины, диаметром около 3,5 нм. В каждой микрофибрилле насчитывается большое число (примерно 100—200) целлюлозных цепей, расположенных вдоль оси микрофибриллы. Микрофибриллы, располагаясь по спирали, образуют агрегаты из нескольких микрофибрилл— фибриллы, или пряди, диаметром около 150 нм, из которых построены слои клеточных стенок.

Процесс получения целлюлозы сводится к освобождению ее от лигнина, гемицеллюлоз, смол, жиров и таннидов, сопровождающих целлюлозу |В растительной ткани, каким-либо способом химической обработки. Поскольку основным веществом, от которого стремятся освободить растительную ткань в результате химической обработки, является лигнин, процесс получения целлюлозы называется делигнификацией соответствующего растительного сырья (древесины, соломы хлебных злаков, тростника и т. п.). Продукт делигнификации называется технической целлюлозой. Техническую целлюлозу получают в процессе варки, под которой понимают обработку древесного или другого растительного сырья раствором химических реагентов при повышенных температуре и давлении по специальному режиму в аппаратах периодического или непрерывного действия. Применяемый раствор химикатов называется варочным раствором [3].

В зависимости от режима обработки растительного сырья в процессе варки можно получить продукты с различным выходом, определяемым отношением массы полученного полуфабриката к массе исходного растительного сырья (%) • Продукт с выходом от -80 до 60 % массы сырья называется полуцеллюлозой, для которой характерно высокое содержание лигнина (15—20%). Лигнин межклеточного вещества в полуцеллюлозе в процессе варки растворяется не полностью (часть его остается в полуцеллюлозе); волокна соединены между собой еще настолько прочно, что для их разделения и превращения в волокнистую массу необходимо применять механический размол. Продукт с выходом от 60 до 50 % называется целлюлозой высокого выхода (ЦВВ). ЦВВ раздел я- . ется на волокна без механического размола с помощью размыва струей воды, но содержит еще значительное количество остаточного лигнина в клеточных стенках. Продукт с выходом от 50 до 40 % называется целлюлозой нормального выхода, которая по степени делигнификации, характеризующей процентное содержание остаточного лигнина в стенках волокон, разделяется на целлюлозу жесткую (3—8% лигнина), среднежесткую (1,3—3% лигнина) и мягкую (менее 1,5 % лигнина).

В результате варки растительного сырья получают небеленую целлюлозу, представляющую продукт с относительно низкой белизной, содержащий еще большее число компонентов древесины, сопровождающих целлюлозу. Освобождение от них продолжением варочного процесса связано со значительным разрушением целлюлозы и, как следствие этого, снижением выхода и ухудшением ее свойств. Для получения целлюлозы с высокой белизной — беленой целлюлозы, наиболее освобожденной от лигнина и экстрактивных веществ, техническую целлюлозу подвергают отбелке химическими отбеливающими реагентами. Для более полного удаления гемицеллюлоз целлюлозу подвергают дополнительной щелочной обработке (облагораживанию), получая в результате облагороженную целлюлозу. Облагораживание обычно совмещают с процессом отбелки. Отбелке и облагораживанию подвергают преимущественно мягкую целлюлозу и целлюлозу средней жесткости, предназначенные как для производства бумаги, так и для химической переработки

Полуцеллюлоза, ЦВВ, небеленая целлюлоза нормального выхода, беленая, полубеленая и облагороженная целлюлозы являются волокнистыми полуфабрикатами, находящими широкое практическое применение для производства самых разнообразных видов бумаги и картона. На эти цели перерабатывается около 93 % всей вырабатываемой в мире целлюлозы. Остальная часть целлюлозы служит сырьем для химической переработки.

Для характеристики свойств и качества технической целлюлозы, определяющих ее потребительскую ценность, применяют целый ряд различных показателей. Рассмотрим наиболее важные из них.

Содержание лигнина — один из основных показателей, оценивающих пригодность небеленой целлюлозы для выработки определенных видов бумаги и картона. В беленых целлюлозах содержание лигнина обычно не превышает десятых долей процента, поэтому этот показатель для них не определяют.

Содержание пентозанов в сульфитных целлюлозах составляет от 4 до 7 %, а в сульфатных целлюлозах той же степени делигнификации 10—11 %. Наличие пентозанов в целлюлозе способствует повышению ее механической прочности, улучшает проклейку, размалываемость, поэтому более полное сохранение их в целлюлозе для производства бумаги и картона благоприятно сказывается на качестве продукции. В целлюлозе для химической переработки пентозаны — нежелательная примесь.

Содержание смолы в сульфитной хвойной целлюлозе высокое и достигает 1—1,5 %, так как сульфитная варочная кислота не растворяет смолистых веществ древесины. Щелочные варочные растворы растворяют смолы, поэтому их содержание в целлюлозе щелочных варок невелико и составляет 0,2—0,3 %. Высокое содержание смолы в целлюлозе, особенно так называемой вредной смолы, создает затруднения в бумажном производстве вследствие липких смолистых отложений на оборудовании.

Медное число характеризует степень деструкции целлюлозы в процессах варки, отбелки и облагораживания. В конце каждой целлюлозной молекулы имеется альдегидная группа, способная восстанавливать соли окисной меди до закиси меди, и чем больше деструктирована целлюлоза, тем больше меди может восстановить 100 г целлюлоз ы- в пересчете на абсолютно сухую массу. Закись меди пересчитывают в металлическую медь и выражают в граммах. Для мягких целлюлоз медное число выше, чем для жестких. Целлюлоза щелочных варок имеет низкое медное число, около 1,0, сульфитная — 1,5—2,5. Отбелка и облагораживание значительно понижают медное число.

Степень полимеризации (СП) определяется измерением вязкости растворов целлюлозы вискозиметрическим методом. Техническая целлюлоза неоднородна и представляет собой смесь высокомолекулярных фракций с различной СП. Определяемая СП выражает усредненную длину целлюлозных цепей и для технических целлюлоз находится в пределах 4000—5500.

Механические прочностные свойства целлюлозы испытывают после размола ее до степени помола 60° ШР. Наиболее часто определяют сопротивление разрыву, излому, продавли-ванию и раздиранию. В зависимости от вида сырья, способа получения, режима обработки и других факторов перечисленные показатели могут колебаться в, очень широких пределах. Бумагообразующие свойства — это совокупность свойств, обусловливающих достижение требуемого качества изготовляемой бумаги и характеризуемых рядом разнообразных показателей, например поведением волокнистого материала в технологических процессах изготовления из него бумаги, влиянием его на свойства получаемой бумажной массы и готовой бумаги. Более полно бумагообразующие свойства волокнистых материалов будут рассмотрены в разделе II.

Сорность целлюлозы определяется подсчетом соринок с обеих сторон смоченного образца целлюлозной папки при просвечивании его источником света определенной силы и выражается числом соринок, отнесенных к 1 м 2 поверхности. Например, содержание соринок для различных беленых целлюлоз, допускаемое стандартами, может колебаться от 160 до 450 шт. на 1 м 2 , а для небеленых целлюлоз — от 2000 до 4000 шт.

Методы производства технической целлюлозы. Применяемые в промышленности и исследованные в лабораторных условиях методы производства технической целлюлозы многочисленны. Все они основаны на свойстве лигнина гораздо легче, чем целлюлоза, поддаваться разрушительному действию многих химических реагентов. В основу классификации методов производства целлюлозы в нашей стране положены вид и свойства применяемых химических реагентов, а при использовании нескольких реагентов — последовательность обработки ими растительного сырья. По виду и свойствам применяемых растворов химических реагентов различают щелочные, нейтральные и кислотные методы варки. Фактором, определяющим принадлежность конкретного метода варки к щелочным, нейтральным или кислотным, является концентрация водородных ионов, (активная кислотность) в применяемом варочном растворе, характеризуемая водородным показателем рН. Методы варки технической целлюлозы, получившие промышленное распространение, охватывают в настоящее время весь интервал значений рН, что дает возможность успешно варить любые древесные породы и получать широкий ассортимент волокнистых полуфабрикатов с различным целевым применением.

содержащей не-

Наряду с перечисленными выше применяются методы производства целлюлозы, включающие две последовательные обработки сырья различными реагентами. Если сырье обрабатывается последовательно реагентами близкими по своей природе, такие методы относятся к группе ступенчатых . Наибольшее промышленное значение имеют сульфитно-сульфитный и бисульфитно-нейтрально-сульфитный методы. В случае последовательной обработки сырья на различных ступенях двумя или несколькими разнохарактерными реагентами методы относятся к группе комбинированных, из которых промышленное значение приобрели предгидролизно-сульфатный, сульфитно-содовый и хлорно-щелочной.

Окислительные методы производства целлюлозы пока не получили промышленного применения, но усиленно исследуются и разрабатываются. В качестве активных реагентов для делигни-фикации растительного сырья в них.и спользуются окислители, отличающиеся высокой избирательностью по отношению к лигнину. Среди -н их следует назвать одноступенчатый кислородно-содовый, двухступенчатый кислородно-щелочной, гидротопный, холоцеллю-лозный, окислительного аммонолиза и другие методы без применения серосодержащих реагентов, с которыми связывают будущее целлюлозного производства.

В настоящем курсе основное внимание уделено рассмотрению сульфатного и сульфитного методов производства целлюлозы, нашедших наибольшее практическое применение. Сравнительная характеристика сульфатной и сульфитной целлюлозы из еловой древесины при одинаковой степени делигнификации приведена в табл. 1, из данных которой видно, что прочность сульфатной целлюлозы выше, однако значительно ниже выход и хуже размалываемость.