CC BY
25
УДК 676.017.3
1.О. ДУДЛА
Чершпвський нацюнальний технолопчний ушверситет
АНАЛ1З ЯКОСТ1 ЦЕЛЮЛОЗНИХ НАП1ВФАБРИКАТ1В З ЛУБОВОЛОКНИСТО1 СИРОВИНИ
У po6omi проведена оцiнка фiзико-механiчних характеристик нейтpальнo-сульфiтнoi целюлози, одержаноi з ргзних eudie рослинно'1' сировини та здшснено анализ якостi целюлозних напiвфа6рикатiв для розробки рекомендацш до застосування целюлози для виготовлення паперу.
Ключoвi слова: целюлоза, целюлoзнi натвфабрикати, лубоволокниста сировина.
И.А. ДУДЛА
Черниговский национальный технологический университет
АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ЛУБОВОЛОКНИСТОГО СЫРЬЯ
В работе проведена оценка физико-механических характеристик нейтрально-сульфитной целлюлозы, полученной из различных видов растительного сырья и осуществлен анализ качества целлюлозных полуфабрикатов для разработки рекомендаций к применению целлюлозы для изготовления бумаги.
Ключевые слова: целлюлоза, целлюлозные полуфабрикаты, лубоволокнистое сырье.
I.O. DUDLA
Chernihiv National University of Technology
ANALYSIS OF QUALITY OF CELLULOSE SEMIFINISHED PRODUCTS MADE OF BAST-FIBER
RAW MATERIALS
The paper evaluated the physical and mechanical properties of neutral sulphite pulp obtained from different types of plant material and analyzed of quality cellulose semifinished to develop recommendations for the use of cellulose for paper making.
Keywords: cellulose, cellulose semifinished, bast-fiber raw materials.
Постановка проблеми
Яшсть целюлозних нашвфабрикапв для виробництва паперу та картону визначаеться комплексом ф1зико-х1м1чних i мехашко-мщшсних властивостей. Для характеристики ф1зико-х1м1чних властивостей волокнистих матерiалiв застосовують велику шльшсть рiзних показнишв: вмют тгшну, вихщ целюлози, зольшсть, волопсть i засмiченiсть. Мехашко-мщшсними показниками е розривна довжина, отр розриванню, згину, роздиранню та продавлюванню.
Залежно вiд умов i тривалостi обробки целюлозовмюно! сировини рiзними хiмiчними реагентами при тдвищених температурах i тиску, в результата варiння одержують технiчну целюлозу з рiзним вiдсотковим виходом та фiзико-механiчними показниками.
Аналiз останшх дослiджень i публiкацiй
Можливостi використання стебел лубоволокнистих культур для виробництва волокнистих нашвфабрикапв дослiдженi лабораторiею унiверситету Торонто (Канада). Одержаний з конопляного волокна натронним способом варшня напiвфабрикат з виходом 55 % i вмiстом залишкового лiгнiну 3 % придатний для виробництва друкарських видiв паперу [1]. Промислове використання конопель у виробнищга волокнистих нашвфабрикапв вивчалося лабораторiею коледжу Олiмпiя (Вашингтон, США). Для одержання напiвфабрикату використовували сульфатний, натронний способи варшня з оргашчними розчинниками. У результата цих дослiджень була одержана х1мжо-термомехашчна маса з виходом понад 60 % i задовiльними яшсними показниками [2].
Професором люотехшчно! академп Денейко 1.П. (м. Санкт-Петербург, Роая) опублiковано огляд з одержання волокнистих нашвфабрикапв з однорiчних рослин, зокрема конопель. Показано, що у вщносно м'яких умовах можна одержати волокнистий напiвфабрикат з високими фiзико-механiчними показниками [3].
Провщними вченими Нацюнального техшчного ушверситету Укра!ни «Ки!вський полiтехнiчний шститут» Дейкун I. М., Барбаш В.А. була розроблена технолопя одержання лляно! целюлози для xiMi4HOi переробки. Для даного виробництва найбiльш доцiльно використовувати технiчнi культури та вщходи !х виробництв, з яких найбiльшу цiкавiсть представляе льон, що мае однi з наймщшших рослинних волокон (розривна довжина 33...40 км, тодi як у бавовни 23...36 км) [4] i тому використовуеться свиовою целюлозно-паперовою промисловiстю для одержання високомщного паперу. Так, наприклад, у Австрали iз лляно! целюлози одержують спещальш види паперiв для банкнот, акцш, фiльтрiв, пакетикiв для чаю [5], у США та Канадi солому льону-кучерявця переробляють у целюлозу для виробництва документного, банкнотного, цигаркового паперу та паперу для авiапошти [6], у Британськш Колумби - для виробництва емiсiйного та словникових паперiв [7], в Сгинл - у композици рiзних видiв паперiв [8].
У Канадi та Аргентиш, де вирощують льон i коноплi, з кострицi виробляють целюлозу для картону та обгорткового паперу [9].
У лiтературi з'явилось повщомлення про створення нового способу еколопчно чисто! технологи одержання целюлози з однорiчних рослин (соломи, конопель, льону, багаторiчних рослин, сiльськогосподарських вiдходiв та ш.) пiд назвою Natural Pulping. Як реагенти для варшня i вiдбiлювання використовують мурашину кислоту та перекис водню. Технолопя дозволяе при покращенш якосп одержаного напiвфабрикату в порiвняннi з сульфатним способом зменшити к1льк1сть шк1дливих токсичних викидiв [1].
Зарубiжнi та вiтчизнянi вченi придiляють велику увагу розробцi технiчних прийомiв обробки льону олiйного та розвитку рiзних напрямк1в переробки стебел, одержуваних пiсля обмолоту насiння. У роботах учених Херсонського нацiонального технiчного ушверситету Меняйло-Басисто! I.A., Тiхосово! Г.А. розглянуто можливiсть застосування однорiчних рослини недеревно! природи, як1 мають високий вмют целюлози й широко використовуються для одержання волокнистих напiвфабрикатiв, як1 призначеш для виробництва целюлозно-паперових матерiалiв.
Формулювання мети дослiдження
У залежностi ввд типу використано! рослинно! сировини будуть змiнюватися якiснi показники одержуваного паперу. Тому важливо встановити вiдмiннiсть фiзико-хiмiчних i механiко-мiцнiстних властивостей целюлози, одержано! з волокон льону олшного, льону-довгунця та конопель.
Викладення основного MaTepia^y дослiдження
У данiй роботi проведена оцшка фiзико-механiчних характеристик нейтрально-сульфiтно! целюлози, одержано! з рiзних видiв рослинно! сировини та здшснено аналiз якосп целюлозних напiвфабрикатiв для розробки рекомендацш до застосування целюлози для виготовлення паперу.
Для проведення випробувань використовували тресту конопель, льону-довгунця одержану способами росяного мочiння iз застосуванням хiмiчних композицiйних препаратiв та солому льону олшного.
Вiзуально спостерталася вiдмiннiсть мiж зразками за кольором. Вихщна сировина пiддавалася сортуванню на лабораторнш сортувальцi з метою видалення вiдбракованих елементiв (дрiбнi частинки, мшеральш забруднення), як1 необхiдно видалити на стадп пiдготовки через те, що наявшсть !х пiд час виробництва волокнистих нашвфабрикапв призведе до порушення технологiчного процесу.
Подрiбнену та вщсортовану сировину клали до ексикатора для усереднення вологостi. Пiсля цього за стандартною методикою визначали волопсть зразшв вихiдно! сировини. Згiдно з проведеними розрахунками середня вологiсть зразк1в становила 8,0 - 9,0 %.
Волопсть вихщно! сировини великою мiрою впливае на процес просочування його варильним розчином, на концентрацш активних реагенпв в процесi делiгнiфiкацi!, а отже, на рiвномiрнiсть проварювання, вихiд целюлози та !! як1сть. Тому сировина, яку використовують для одержання целюлози, повинна мати однорщний фракцшний склад i однорiдну вологiсть, коливання цих показнишв мають бути незначними.
Пiсля визначення вологостi точно зважеш зразки подрiбненого лубу завантажували в лабораторнi реактори для проведення термохiмiчно! обробки.
Варiння целюлози здшснювали нейтрально-сульфiтним способом в лабораторному автоклавi при температурi 1700С. Параметри процесу наведено в табл. 1.
Таблиця 1
Одержання волокнистого нашвфабрикату нейтрально-сульф^ним способом
Параметри термохiмiчно! обробки Показники
1 2
1. Наважка, г 100
2. Витрати NaOH, % 3
Продовження таблищ 1
1 2
3. Витрати Na2SO3, % 23
4. Пдромодуль 1:3
5. Температура, 0С 170
6. Тривалiсть, хв. 180
7. Коефщент сухостi 0,33
8. Вихш пiсля промивання, % 66,4
9. Стутнь детгтфтацд, од. Каппа 11,6
Експериментальним шляхом ощнювались наступт фiзико-механiчнi показники целюлози: густина, розривна довжина, абсолютний отр продавлюванню, абсолютний опiр роздиранню, злам та бшизна. Значения показник1в для рiзних видiв одержаного целюлозного натвфабрикату визначались за стандартними методиками вшповшно до чинних мiждержавних та державних стандарта на папiр на основi деревно! целюлози: ГОСТ 27015-86 «Бумага и картон. Методы определения толщины, плотности и удельного объема», ГОСТ 13525.1-79 «Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Методы определения прочности на разрыв и удлинения при растяжении», ГОСТ 13525.8-86 «Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Метод определения сопротивления продавливанию», ДСТУ 3368-96 (ГОСТ 13525.3-97) «Натвфабрикати волокнист та патр. Метод визначення опору роздиранню», ДСТУ 3476-96 (ГОСТ ИСО 5626-97) (ISO 5626:1993) «Патр. Визначення мщносп на злом тд час багаторазових перегитв», ДСТУ 2570-94 (ГОСТ 30113-94) «Патр та картон. Метод визначення бшосп».
Показники якосп целюлози, отримано! за нейтрально-сульфггним способом з волокон конопель, льону-довгунця та льону олшного подано в табл. 2-4.
Таблиця 1
Показники якост целюлози, одержано'1 нейтрально-сульф^ним способом
з волокон конопель
Фiзико-механiчнi показники целюлози Величина
1 2
1. Густина, г/см3 0,82
2. Розривна довжина, м 6294
3. Абсолютний отр продавлюванню, кПа 393
4. Абсолютний отр роздиранню, мН 1280
5. Злам, ч.д.п. 4076
6. Бшизна, % 53,0
Таблиця 2
Показники якост целюлози, одержано!" нейтрально-сульф^ним способом _з волокон льону-довгунця_
Фiзико-механiчнi показники целюлози Величина
1 2
1. Густина, г/см3 0,78
2. Розривна довжина, м 4014
3. Абсолютний отр продавлюванню, кПа 118
4. Абсолютний отр роздиранню, мН 137
5. Злам, ч.д.п. 114
6. Бшизна, % 67,0
Таблиця 3
Показники якост целюлози, одержаноТ нейтрально-сульфiтним способом
з волокон льону олшного
Фiзико-механiчнi показники целюлози Величина
1. Густина, г/см3 0,80
2. Розривна довжина, м 1984
3. Абсолютний отр продавлюванню, кПа 48
4. Абсолютний отр роздиранню, мН 166
5. Злам, ч.д.п. 20
6. Бшизна, % 80,0
Треба зазначити, що одержана нейтрально-сульфиним способом целюлоза пiсля розпускання в дезiнтеграторi i промивання добре подмлася на пучки та окремi волокна. Целюлоза з виходом 60 % мае достатньо низький стутнь детгтфгааци, що надалi не повинно ускладнювати процес И вибiлювання.
Одержаний матерiал мае висок1 показники якосп. Висока мiцнiсть рослинних волокон обумовлена великою шльшстю елементарних волокон, з'еднаних в луб'яш пучки. Проте тд час виробництва паперу мiцнiсть волокон може не вплинути на мщшсть к1нцевого продукту, якщо в процеа розмелювання вони не будуть подшеш на окремi, добре фiбрильованi волокна.
Необхщно зауважити, що целюлоза, одержана нейтрально-сульфиним способом, розмелювалася досить легко, порiвняно з целюлозою, одержаною натронним способом. Велика довжина волокон, високий ступiнь помелу i неоднорiднiсть матерiалу значно ускладнювали формування папероподiбного матерiалу.
Аналiзуючи фiзико-механiчнi показники одержаних зразшв треба зазначити, що целюлоза, одержана нейтрально-сульфггним способом з показниками виходу 70 %, бiлизни 54-56%, ступеня детгтфгааци 12-10 од. Каппа, опору зламу 4000-5000 ч.д.п. i опору роздиранню 1200-1500 мН, за своею яшстю перевищуе целюлозу, одержану з деревини.
Враховуючи висок1 показники мщносп, одержаний волокнистий напiвфабрикат можна використовувати в композицп при виробництвi високомщних, довговiчних i спецiальних видiв паперу. Але для цього одержаному натвфабрикату необхщно надати вiдповiдного вигляду -вибшити.
Оск1льки луб'янi волокна конопель мютять незначну к1льк1сть лiгнiну, а тсля термохiмiчно! обробки одержаний матерiал мае ступiнь детгтфгааци 12-4 од. Каппа, то можна припустити, що целюлозу з таким вмютом Мгншу можна класифiкувати як легко вибiлювану [10, 11, 12].
Таким чином, експериментальш дослiдження пiдтверджують можливiсть одержання целюлози з безнаркотичних конопель. Виявлено, що отриманi зразки целюлози, особливо одержано! нейтрально-сульфiтним способом, мають висок1 показники механiчно! мiцностi.
Аналiзуючи показники якостi целюлози, одержано! нейтрально-сульфитним способом з волокон льону-довгунця та льону олшного можна зробити висновок, що мщшсш характеристики целюлози, так як густина, розривна довжина, абсолютний отр продавлюванню, абсолютний опiр розриванню, злам та бiлизна значно нижчi за показниками вiд таких же показнишв целюлози, одержано! з волокон конопель.
Так, наприклад, злам зразк1в целюлози, виготовлено! з конопель майже в 40 разiв перевищуе той же показник зразшв целюлози з волокон льону-довгунця та у 200 разiв зразшв целюлози з волокон льону олшного.
На основi проведених дослщжень можна зробити висновок, що целюлоза, одержана з безнаркотичних конопель, характеризуеться високим рiвнем фiзико-механiчних показник1в, як1 не поступаються показникам целюлози, одержано! з деревини, а за деякими параметрами навиъ перевищують !х. Така целюлоза може використовуватися для виготовлення рiзних видiв паперу, зокрема, банкнотного, офiсного, друкарського. А целюлоза з льону-довгунця i льону олiйного може бути рекомендована для виготовлення тих видiв паперу, як не потребують високих мщшсних характеристик, але мають високу повиропроникшсть i вологопоглинання.
Цi характеристики необхщш для виготовлення фiльтрувального паперу, саштарно-ппешчних виробiв та виробiв медичного призначення. Дослiдження функцiональних властивостей целюлози з волокон льону-довгунця та льону олшного буде присвячена наступна публжащя.
Висновки
За фiзико-механiчними показниками якосп, целюлоза, яка отримана з волокон конопель може бути рекомендована для виготовлення цшних видiв паперу з високими показниками опору на злам та опору на роздирання. Целюлоза, яка отримана з волокон льону-довгунця та льону олiйного мае низьк1 значення мiцнiсних характеристик, але вона в^^зняеться високими санiтарно-гiгiенiчними властивостями: повiтропроникнiстю та вологопоглинанням, як1 необхiднi для виготовлення виробiв медичного призначення.
Список використано'! лiтератури
1. Kolodinsky J. Marketing ofhemp products - the consumer is key // Institute of Natural Fibres, Poznan, Poland. - 1997. - P.58-63.
2. Murphy D.P.L., Behring H. and Wieland H. The use of flax and hemp materias for insulating buildings // Institute of Natural Fibres, Poznan, Poland. - 1997. - P.79-84.
3. Лубяные культуры. Конопля, кенаф, канатник, рами, джут, бамия / Под ред. Толочко Я.М. - М.: Сельхозгиз, 1950. - 210 с.
4. Справочник льновода / Под. ред. М.П. Афонина. - Минск: "Ураджай", 1973. - 240 с.
5. Maddern K.N., Fench J. Papermaking properties of some australian nonwood fibres// Appita. - 1989. -V.42, №6. - Р.433-437.
6. Технология целлюлозы: В 3 т. / Непенин Ю.Н. - М.: Экология, 1994. - Т.3: Очистка, сушка и отбелка целлюлозы. Прочие способы получения целлюлозы. - 592 с.
7. Flax pulp mill planned for Surrey, B.C.// Pulp. and pap. - 1991. - V.65, №1. - P.29.
8. Богданова О.Ф. Козаченко В.М., Богданов С.М. Особливосп варшня луб'яно! сировини для одержання целюлози // Легка промисловють. - 2001. - №3. - С.60.
9. El.-Kalyoubi Samira P., Shukry Nadin, A. Fadi Naim. Paper sheets from blended wood pulp with Egyptian flax and okra stalks pulps // Res.and Ind. -1987. - V.32, №4. - Р.282-285.
10. Орлов Н.Н. Получение высокосортной целлюлозы из однолетних растений // Бумажная промышленность. - 1934. - №1. - С. 13-31.
11. Хренников А.С., Толочко Я.М. Коноплеводство. - М., 1953. - С.36-59.
12. Романенко Г.А. Конопля - культура выгодная // Лен и конопля. - 1966. - №3. - С.29-30.
