CC BY
38
УДК 676.022.6 : 547.673.1
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ХИМИКАТОВ ПРИ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКЕ НА СВОЙСТВА ХВОЙНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
© А.А. Драчев, Ю.В. Севастьянова , В.И. Комаров, Л.А. Миловидова
Архангельский государственный технический университет, Набережная Северной Двины, 17, Архангельск, (Россия) E-mail: kazakov@agtu.ru
Выполнено исследование влияния различных модификаций антрахинонов и диспергаторов на избирательность сульфатной варки хвойной древесины, проведена оценка влияния исследованных химикатов на показатели механической прочности целлюлозы.
Ключевые слова: хвойная сульфатная целлюлоза, антрахинон, пропиточные химикаты, выход полуфабриката, число Каппа, показатели механической прочности целлюлозы.
Введение
Одним из способов повышения выхода и качества полуфабрикатов и увеличения скорости варки целлюлозы может быть использование антрахинона и различных поверхностно-активных веществ (ПАВ). Оценка эффективности использования химических добавок в промышленных условиях достаточно сложна и требует длительного времени. Наиболее полное представление о работе ПАВ и новых модификаций антрахинонов в настоящее время позволяет получить эксперимент, проведенный в лабораторных условиях. Цель эксперимента, результаты которого представлены в статье, состояла в сравнении эффективности добавок ан-трахинонов (АХ) и диспергаторов (ПАВ) ряда фирм.
Экспериментальная часть
Сравнение эффективности добавок ряда антрахинонов на процесс варки сульфатной хвойной целлюлозы проводилось в интервале значений числа Каппа целлюлозы 30.. .50 единиц. Для выполнения исследования различными фирмами были использованы три вида антрахинонов, которые в дальнейшем обозначаются - А, В, С.
Для варки целлюлозы использовался промышленный образец щепы. Варки проводились в стационарных лабораторных автоклавах объемом 600 мл при следующих условиях: гидромодуль - 3,7, подъем температуры - от 80 °С до конечной в течение 2 ч. Расход антрахинонов составлял 0,05% от массы древесины. Режимы варок для получения целлюлоз с различным числом Каппа представлены в таблице 1.
У полученных образцов целлюлозы определялись общий выход, выход сортированной целлюлозы, число Каппа, сорность (табл. 2), стандартные показатели механической прочности (сопротивление продавливанию (П), сопротивление раздиранию (R), разрывная длина (L)), фундаментальные свойства волокна (собственная прочность волокна (L0), межволоконные силы связи (FJ), характеристики деформативности (жесткость при растяжении (Я), начальный модуль упругости (£1), разрушающее напряжение (ораз), деформация разрушения (Браз), энергия, поглощенная при растяжении образца (ТЕА)) (табл. 3). Показатели прочности и деформативности определяли у отливок целлюлозы с массой 1 м2 75 г и степенью помола 30 °ШР.
Для оценки эффективности и целесообразности добавки диспергаторов при варке хвойной сульфатной целлюлозы были получены образцы целлюлозы с числом Каппа 30, 40 и 50 по режимам, представленным в таблице 1. Для варок использовались четыре диспергатора, которые в дальнейшем обозначаются - 1, 2, 3, 4. Расходы диспергаторов были установлены по данным фирм-производителей и составляли 10 кг/т целлюлозы. Результаты варок целлюлозы с добавками диспергаторов представлены в таблице 5.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Таблица 1. Режимы варок хвойной сульфатной целлюлозы с разным числом Каппа
Параметры варки Число Каппа целлюлозы
30 (режим №1) 40 (режим №2) 50 (режим №3)
Температура, °С 167 167 167
Расход активной щелочи, % 17,3 15,5 14,3
Продолжительность, мин 116 115 115
Обсуждение результатов
1. Исследование добавки антрахинонов. Как следует из представленных в таблице 2 данных, добавка всех исследованных образцов антрахинонов в интервале значений числа Каппа 30...50 единиц привела к повышению общего выхода целлюлозы и снижению количества непровара.
Добавка антрахинонов В и С привела также к снижению числа Каппа, т.е. ускорению процесса варки. Эффект ускорения был тем больше, чем выше число Каппа полуфабриката: для целлюлоз, полученных по режиму №1, снижение данного показателя составило 2.3 единицы, для режима №2 - 3.4 единицы, для режима №3 - 8.10 единиц. При добавках антрахинонов на варку происходит значительное снижение сорности целлюлозы по сравнению с контрольными образцами, определяемой по содержанию крупного сора площадью более 5 мм2.
Повышение числа Каппа в контрольных варках от 30 до 40 единиц сопровождается увеличением разрывной длины (X) и сопротивления продавливанию (П). Дальнейшее повышение числа Каппа до 50 единиц не повлияло на эти показатели. Сопротивление раздиранию (К) практически не зависит от числа Каппа в исследованном диапазоне его изменений (табл. 3).
Добавка антрахинона приводит к некоторому повышению разрывной длины (X) и сопротивления продавливанию (П), причем наиболее заметное повышение сопротивления продавливанию отмечается для образцов целлюлозы с числом Каппа 30. Соответственно, сопротивление раздиранию (К) при добавке антрахинонов снижается, причем наиболее заметное снижение этого показателя происходит для целлюлоз, полученных по этому же режиму. Полученные результаты согласуются с данными по изменению выхода целлюлозы при добавке антрахинона и подтверждаются характером изменения межволоконных сил связи (Рсв), которые представлены в таблице 4.
В таблице 4 представлены данные по влиянию добавки антрахинона на фундаментальные и деформационные свойства целлюлозы. Следует отметить, что повышение числа Каппа от 30 до 50 в контрольных образцах целлюлозы сопровождается снижением плотности образцов с 0,800 до 0,72 г/см3, а также ростом таких деформационных характеристик, как жесткость при растяжении (Я), начальный модуль упругости (£1), разрушающее напряжение (ораз), деформация разрушения (бр^), энергия, поглощенная при растяжении образца (ТЕА). Прослеживается также тенденция к повышению прочности волокна и сил связи, причем наибольший прирост для £св имеет место при повышении числа Каппа от 40 до 50.
Оценивая влияние добавок антрахинона на собственную прочность волокна, можно отметить слабое влияние добавок на этот показатель для значений числа Каппа 40 и 50. Повышение Х0 при добавках антра-хинона наблюдается только для образца целлюлозы с числом Каппа 30.
Таблица 2. Влияние добавки различных антрахинонов хвойной сульфатной целлюлозы
Режим Используемый Выход целлюлозы, % Число Сорность, 1/м2
варки химикат общий сортированной Каппа пл. > 5 мм2
№1 Контроль 48,0 46,5 33,8 477
А 50,3 49,6 33,7 95
В 52,4 51,8 30,8 63
С 49,9 49,1 31,8 79
№2 Контроль 51,0 47,5 42,8 900
А 52,6 49,8 41,9 541
В 53,2 52,4 34,9 318
С 51,2 50,8 39,8 573
№3 Контроль 52,6 47,8 52,8 -
А 53,6 49,2 52,1 -
В 53,4 48,6 42,5 -
С 52,8 48,8 44,7 -
Таблица 3. Влияние добавки различных антрахинонов на показатели механической прочности хвойной сульфатной целлюлозы
Режим варки Используемый химикат L, м П, кПа R, мН
№1 Контроль 10000 549 1070
А 10600 623 823
В 11600 649 831
С 11400 696 855
№2 Контроль 11400 623 1026
А 11000 586 761
В 11550 593 729
С 12300 643 996
№3 Контроль 11400 641 1055
А 10200 648 941
В 11150 715 960
С 12000 659 911
Таблица 4. Влияние добавки антрахинонов на фундаментальные свойства и деформационные показатели хвойной сульфатной целлюлозы
Режим Химикат р, г/см3 Фундаментальные свойства Деформационные характеристики
варки FCB, МПа Lo, м St, кН/м E1, МПа TEA, Дж/м2 Sp, % ор, МПа
№1 Контроль 0,80 1,80 16300 540 5950 136 2,89 80,3
А 0,86 1,72 17800 582 6727 135 2,69 91,3
В 0,80 1,74 18200 659 6709 156 2,71 93,0
С 0,79 2,17 15600 613 6001 173 2,98 90,4
№2 Контроль 0,73 1,76 16600 560 5676 151 2,91 83,6
А 0,76 1,12 15100 565 5572 165 3,06 83,6
В 0,75 1,95 16800 545 5784 148 2,90 87,0
С 0,71 1,85 15000 576 5593 176 3,13 86,9
№3 Контроль 0,72 1,97 17000 598 5457 206 3,57 82,6
А 0,72 2,31 16000 605 5700 142 2,82 73,2
В 0,77 2,30 15200 626 5857 200 3,35 86,2
С 0,74 2,30 17000 646 6298 183 3,16 87,8
Изменение деформационных характеристик целлюлозы, как уже отмечалось, зависит от изменения числа Каппа. Влияние добавки антрахинонов на деформационные свойства целлюлозы в большей степени проявляется для целлюлозы с числом Каппа 30 - при этом четко прослеживается тенденция к повышению жесткости при растяжении (St), начального модуля упругости (Ej), работы и деформации разрушения (TEA и Єр), что позволяет говорить о повышении гибкости волокон, скорее всего за счет сохранения гемицеллюлоз.
Для образцов целлюлозы с числом Каппа 40 и 50 эти изменения менее заметны.
2. Влияние добавок диспергаторов (ПАВ). Полученные данные показали, что, в отличие от добавок ан-трахинонов, добавки диспергаторов не повлияли на выход и число Каппа целлюлозы в интервале его значений 30.50. Но в этом случае, как и при добавках антрахинона, значительно снижается содержание крупной костры, хотя и в меньшей степени, чем при добавке антрахинона.
Изменение стандартных показателей механической прочности образцов целлюлоз (табл. 6) при добавке дис-пергаторов в целом незначительно. Некоторое повышение разрывной длины и сопротивления продавливанию отмечается для образцов целлюлозы с числом Каппа 30 и 40 при добавке образца диспергатора №3.
Добавка диспергаторов практически не повлияла на изменение фундаментальных и деформационных характеристик хвойной сульфатной целлюлозы (табл. 7). Влияние добавки диспергаторов на величину сил связи (£св) в наибольшей степени проявилось для образцов целлюлозы с числом Каппа 30 и 40. Изменение деформационных характеристик также носит случайный характер, не зависящий от добавки диспергаторов.
В таблице 8 представлены результаты варок при совместном использовании добавок антрахинона и диспергатора.
Полученные данные подтверждают ранее зафиксированный результат, представленный в части 1: использование антрахинона приводит к снижению числа Каппа при сохранении выхода целлюлозы. Этот эффект более заметен для целлюлоз с числом Каппа 50, при этом опять же существенно снижается содержание крупного сора.
Для образцов целлюлозы с числом Каппа 40 и 50 при добавке смеси антрахинона и диспергатора наблюдается снижение показателя сопротивления раздиранию, что согласуются с ростом сил связи (табл. 9 и 10).
Таблица 5. Влияние добавки различных ПАВ на выход и основные показатели хвойной сульфатной целлюлозы
Режим Используемый Выход целлюлозы, % Число Каппа Сорность, 1/м2,
варки химикат общий сорт. пл. > 5 мм2
№1 Контроль 47,6 46,9 33,0 377
3 48,5 48,5 30,1 238
2 48,1 46,7 32,7 350
3 48,0 46,5 33,3 127
4 47,2 45,5 33,9 268
№2 Контроль 50,2 47,5 42,8 987
3 50,2 48,1 42,6 493
2 48,1 43,7 39,8 573
3 48,3 47,7 43,2 668
4 50,3 49,2 41,2 732
№3 Контроль 49,4 48,7 51,0 -
3 50,0 47,6 52,4 -
2 49,0 46,3 51,1 -
3 50,0 49,6 45,7 -
4 51,8 48,0 52,1 -
Таблица 6. Влияние добавки ПАВ на показатели механической прочности хвойной сульфатной целлюлозы
Режим варки Используемый химикат Ь, м П, кПа Я, мН
№1 Контроль 10000 549 1070
3 9500 514 941
2 10000 577 1058
3 11300 632 1074
4 10200 634 972
№2 Контроль 11400 623 10000
3 11900 667 922
2 11400 557 10500
3 10200 633 1044
4 11000 628 1043
№3 Контроль 11400 641 1055
3 11700 649 1098
2 11700 617 1200
3 8900 526 1392
4 9800 628 1043
Таблица 7. Влияние добавки ПАВ на фундаментальные свойства и деформационные показатели хвойной сульфатной целлюлозы
Режим Химикат Р, Фундаментальные свойства Деформационные характеристики
варки г/см3 •РСв, МПа Ьо, м Б,, кН/м Е1г МПа ТЕА, Дж/м2 8р, % стр, МПа
№1 Контроль 0,80 1,80 16300 540 5950 136 2,89 80,3
1 0,73 1,22 16700 521 5171 135 2,96 70,0
2 0,74 2,01 18400 570 5453 126 2,66 70,4
3 0,61 1,56 17000 606 4658 170 2,97 68,9
4 0,71 2,68 16600 550 5257 135 2,81 72,0
№2 Контроль 0,73 1,76 16600 560 5676 151 2,91 83,6
1 0,74 2,21 18200 555 5833 145 2,81 88,1
2 0,72 2,03 17200 550 4979 168 3,22 75,1
3 0,73 2,00 16900 598 5718 167 3,24 97,8
4 0,74 2,06 16400 571 5966 133 2,88 75,2
№3 Контроль 0,72 1,97 17000 598 5457 206 3,57 82,6
1 0,76 2,06 15400 643 5900 216 3,48 88,7
2 0,73 2,20 16050 653 5954 186 3,17 85,1
3 0,64 2,27 16400 547 4352 139 3,04 56,7
4 0,73 2,02 16700 545 4973 176 3,50 71,3
Таблица 8. Влияние совместной добавки антрахинона С и пропиточного химиката 4 на выход и основные показатели хвойной сульфатной целлюлозы
Режим варки Добавка смеси Общий выход, % Выход сортированной целлюлозы, % Число Каппа Сорность, 1/м2, пл. > 5 мм2
№1 - 47,6 46,9 33,0 377
+ 50,4 48,6 29,3 111
№2 - 51,2 47,5 42,8 587
+ 50,9 44,0 29,4 187
№3 - 49,5 48,7 51,0 -
+ 53,5 49,5 40,2 -
Таблица 9. Влияние добавки антрахинона С и диспергатора 4 на показатели механической прочности хвойной сульфатной целлюлозы
Режим варки Добавка смеси Ь, м П, кПа Я, мН
№1 - 10000 549 1070
+ 11800 596 823
№2 - 11400 623 10000
+ 11000 654 831
№3 - 11400 641 1055
+ 11000 610 950
Таблица 10. Влияние добавки ПАВ на фундаментальные свойства и деформационные показатели хвойной сульфатной целлюлозы
Режим варки Добавка смеси р, г/см3 Фундаментальные свойства Деформационные характеристики
БСВ, МПа ,м £,, кН/м Біг МПа ТЕА, Дж/м2 Єр, % стр, МПа
№1 - 0,80 1,80 16300 540 5950 136 2,89 80,3
+ 0,73 2,02 15400 570 5726 161 2,98 85,5
№2 - 0,73 1,76 16600 560 5676 151 2,91 83,6
+ 0,76 2,34 15050 551 5526 147 2,81 83,6
№3 - 0,72 1,97 17000 598 5457 206 3,57 82,6
+ 0,71 2,22 16000 591 5413 177 3,28 77,3
Выводы
1. Использование антрахинона при варке хвойной сульфатной целлюлозы в количестве 0,05% к массе древесины обеспечивает повышение выхода целлюлозы на 1,0.1,5% и снижение количества непровара. При этом существенно снижается (на 50.80%) содержание крупной (5 мм2 и более) костры.
2. Добавка антрахинона обеспечивает повышение разрывной длины и сопротивления продавливанию (Ь и П) и снижение сопротивления раздиранию. Наиболее заметный эффект наблюдается для образцов целлюлоз с числом Каппа 30: разрывная длина возрастает на 10.15%, сопротивление продавливанию на 10.25%, а сопротивление раздиранию снижается на 20 .22%.
3. Для этих же образцов целлюлозы наиболее заметно влияние добавки антрахинона на изменение фундаментальных свойств и деформационных характеристик: в данном случае возрастает жесткость при растяжении (>^) - на 10.20%, а начальный модуль упругости (Е}) - 10.12%. Можно отметить, что эффективность исследованных образцов антрахинонов не имеет принципиальных различий.
4. Добавка диспергаторов при сульфатной варке хвойной целлюлозы в первую очередь приводит к снижению сорности, что свидетельствует об улучшении процесса пропитки. Совместное использование для варки антрахинона и диспергатора приводит к ускорению варки и снижению числа Каппа, но этот эффект не превышает эффекта, достигаемого при добавке одного антрахинона.
Заключение
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что наиболее целесообразным при варке хвойной сульфатной целлюлозы является использование антрахинона. Использование диспергаторов при производстве данного полуфабриката малоэффективно.
Поступило в редакцию 19 ноября 2008 г.
После переработки 5 декабря 2008 г.
