Способы получения древесной целлюлозы

Целлюлоза, свойства, получение и применение

Целлюлоза, свойства, получение и применение.

Целлюлоза – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C₆H₁₀O₅)n.

Целлюлоза, формула, строение, вещество, характеристика:

Целлюлоза, клетчатка (фр. cellulose от лат. cellula – «клетка») – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C₆H₁₀O₅)n.

Молекулы целлюлозы представляют собой неразветвлённые цепочки из остатков β-D-глюкозы, соединённых гликозидными (водородными) связями β-(1→4).

Строение молекулы целлюлозы, структурная формула целлюлозы:

Молекула целлюлозы образована из множества (от нескольких сотен до десятков тысяч) остатков β-D-глюкозы, связанных между собой гликозидными ( водородными ) связями.

Молекула целлюлозы имеет линейное строение и склонна принимать вытянутую стержневую конформацию.

Так как макромолекула целлюлозы представляет собой смесь молекул (мономерных звеньев) с различной степенью полимеризации (т.е. числом мономерных звеньев в молекуле полимера ), то она неоднородна по молекулярной массе. Целлюлоза из древесины имеет типичную длину цепи от 300 до 1700 единиц мономерных звеньев C₆H₁₀O₅, хлопок и другие растительные волокна, а также бактериальная целлюлоза имеют длину цепи от 800 до 10 000 единиц звеньев C₆H₁₀O₅.

Молярная масса мономерного звена целлюлозы С₆Н₁₀О₅ составляет 162,1406 г/моль

Целлюлоза – это растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом. Целлюлоза является главной составляющей частью и структурным материалом оболочки растительной клетки. Кроме целлюлозы в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим названием гемицеллюлозы (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.).

Внешне целлюлоза в чистом виде представляет собой белое твердое волокнистое вещество, без вкуса и запаха.

Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью.

Целлюлоза не растворяется в воде, слабых кислотах и большинстве органических растворителей . Растворяется в некоторых растворителях, например, в водных смесях комплексных соединений гидроксидов переходных металлов (Сu, Cd, Ni) с NH₃ и аминами, в серной и ортофосфорной кислотах, а также в аммиачном растворе гидроксида меди (II) – реактиве Швейцера.

Хорошо впитывает воду из-за наличия гидроксильных групп в своем составе.

Подвергается разложению при участии микроорганизмов и при действии ультрафиолетовых лучей.

Не разрушается при нагревании до 200 о С.

Различные виды целлюлозы (из различных растительных материалов) структурно неоднородны, т.к. расстояние между молекулами или звеньями молекул целлюлозы, а также взаимное расположение этих молекул могут быть различны. Соответственно изменяются прочностные связи между молекулами, а также физические и химические свойства различных видов целлюлозы . Свойства также зависят от количества звеньев в молекуле целлюлозы (т.е. от степени полимеризации). Например, чем больше расстояние между молекулами или звеньями молекул и чем меньше прочность связи между ними, тем больше гигроскопичность целлюлозы, ее окрашиваемость, более реакционноспособна в процессах этерификации, протекающих в кислой среде, и т.д. Целлюлоза со степенью полимеризации менее 1000 растворима в концентрированной ортофосфорной кислоте, а целлюлоза со степенью полимеризации ниже 200 – также и в 10-12 % растворе гидроксида натрия.

Нахождение целлюлозы в природе:

В чистом виде в природе не содержится.

Целлюлоза образуется в растениях (в т.ч. водорослях) в результате сложных биохимических реакций в процессе фотосинтеза из простейших углеводов. Она представляет собой составную часть оболочки клеток растений , обеспечивая механическую прочность и эластичность растительной ткани.

В большом количестве целлюлоза содержится в волокнах хлопка – 95-98 %, льна – 60-85 %, в тканях древесины – 40-55 %, в растительных остатках, попадающих в почву (листьях, стеблях и пр.), – 40-90 %, в соломе – до 30 %.

Целлюлоза также встречается у грибов и животных : у некоторых простейших и у оболочников (Tunicata). У последних она выделяется клетками наружных покровов и образует наружную оболочку, или тунику, животного .

Целлюлоза вырабатывается также некоторыми бактериями , например, бактериями рода Acetobacter.

Физические свойства целлюлозы:

Наименование параметра:	Значение:
Цвет	белый
Запах	без запаха
Вкус	без вкуса
Агрегатное состояние (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.)	твердое вещество
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), г/см 3	1,52-1,54
Плотность (при 20 °C и атмосферном давлении 1 атм.), кг/м 3	1520-1540
Температура разложения, °C	210
Температура плавления, °C	467
Температура кипения, °C	—
Температура воспламенения, °C	275
Температура самовоспламенения, °C	420
Удельная теплота сгорания, МДж/кг	16,40
Молярная масса мономерного звена целлюлозы С6Н10О5, г/моль	162,1406

Химические свойства целлюлозы. Химические реакции целлюлозы:

Из-за наличия трёх гидроксильных групп в каждом звене целлюлоза проявляет свойства многоатомных спиртов, поэтому для нее характерны все химические реакции, свойственные спиртам: образование простых и сложных эфиров органических и неорганических кислот, получение щелочной целлюлозы и др.

Основные химические реакции целлюлозы следующие:

1. гидролиз целлюлозы:

В результате реакции образуется глюкоза .

2. реакция нитрования целлюлозы (т.е. реакция целлюлозы с азотной кислотой).

3. реакция этерификации целлюлозы с уксусной кислотой.

4. реакция пиролиза целлюлозы:

При температуре выше 350 °C в отсутствии кислорода целлюлоза подвергается пиролизу (также называемому “термолизом”), разлагаясь на твердый уголь , пары, аэрозоли и газы, такие как углекислый газ и пр. продукты сложного строения.

5. реакция горения целлюлозы:

В результате реакции происходит полное окисление целлюлозы до углекислого газа и воды.

Производство и получение целлюлозы:

Поскольку в природе в чистом виде целлюлоза не содержится, а, как правило, образуется в растениях, то ее в основном получают из древесины . Производство (получение) целлюлозы является одним из этапов производства бумаги .

Содержание целлюлозы в древесине составляет порядка 40-55 %. Остальное – гемицеллюлоза (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.) и лигнин. Лигнин (от лат. lignum – дерево, древесина) – это вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток, и представляющее собой смесь ароматических полимеров родственного строения. На лигнин приходится от 18 до 24 % массы древесины лиственных пород и 23-50 % массы хвойных пород. Причем (лигнин) последний выполняет функцию связующего вещества между волокнами целлюлозы.

Если образно сравнить древесину с железобетоном, то получается, что волокна целлюлозы, обладающие высокой прочностью на растяжение, подобны арматуре в железобетоне, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, – бетону.

Гемицеллюлоза в древесине выполняет функцию укрепления волокон целлюлозе. Она представляет собой растительные гомо- и гетерополисахариды с меньшей, чем у целлюлозы, молекулярной массой (10 000-40 000 г/моль), состоящие из остатков разных пентоз и гексоз.

Целлюлоза получается (выделяется) из древесины двумя методами: механическим и химическим. При любом методе получения целлюлозы древесина предварительно измельчается в щепу.

Механический метод получения целлюлозы:

При механическом методе получения целлюлозы древесную щепу, как правило, истирают или размалывают в водной среде в присутствии специальных реагентов. Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна. Затем волокна очищаются. Однако полностью лигнин из полученных волокон не удаляется, а остается на поверхности и внутри них, что сказывается на качестве полученной целлюлозы и в будущем – на получаемых бумажных листах.

Выход «механической» древесной массы получается достаточно высоким.

Бумажные листы из «механической» древесной массы имеют низкую плотность, высокую твердость и жесткость, а также цвет исходной древесины.

Химический метод получения целлюлозы:

Химический метод получения целлюлозы заключается в том, что древесную щепу помещают в кипящий раствор, где варят в течении длительного времени.

По типу применяемых реагентов различают несколько способов варки древесной щепы:

– сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например, гидросульфит натрия. Варка происходит при повышенной температуре и давлении. Этот способ варки применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты;

– натронный. Используется раствор гидроксида натрия . Данным способом получают целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений ;

– сульфатный. Наиболее распространённый способ на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия. Данный способ пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья.

В процессе варки получают техническую целлюлозу, которая выпадает в осадок, а лигнин взаимодействует с варочным раствором, в результате чего получаются различные химические вещества (кормовые дрожжи, сульфатный лигнин, сульфатное мыло, фитостерин, талловое масло, канифоль, сернистые соединения, метанол, скипидар и пр.).

Техническая целлюлоза для удаления гемицеллюлозы и облагораживания обрабатывается холодным или горячим раствором щелочи, а для удаления остаточного лигнина – хлором, озоном, кислородом, пероксидом водорода, после чего – щелочью. Процесс удаления лигнина также называется отбелкой целлюлозы и имеет цель придание ей белизны.

В итоге получается чистая целлюлоза. Общий объем получаемой химическим способом целлюлозы зависит от способа варки, а так же от вида древесины . Выход составляет от 40 до 65 %.

В отличие от целлюлозы, полученной механическим способом, целлюлоза, полученная химическим способом, имеет белый цвет, большую длину волокон, становится более гибкой.

Применение целлюлозы:

– для производства бумаги и картона,

– в качестве наполнителя в таблетках в фармацевтике,

– для получения искусственных волокон (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха),

– для изготовления тканей (хлопок, который большей частью состоит из целлюлозы – 95-98 %),

– для производства пластмасс , оргстекла, кино и фото пленок и пр.,

Источник

Механический и химический способы получение целлюлозы

Целлюло́за — это белое твердое вещество. Она нерастворима в воде, молекула имеет линейное (полимерное) строение.

Структурная единица целлюлозы — остаток β-глюкозы. Из целлюлозы получают в дальнейшем бумагу и картон.

Из целлюлозы получают в дальнейшем бумагу и картон.

Получение целлюлозы и ее дальнейшая обработка

Один из главных этапов изготовления бумаги и картона — получение волокон целлюлозы и ее дальнейшая обработка. От данного этапа зависит, какого качества и какой стоимости будут получаемые изделия.

Всего существует два способа получения целлюлозы:

Процесс получения целлюлозы

Целлюлозу получают из чистой древесины и макулатуры.

Волокна целлюлозы получают из так называемой древесной волокнистой массы. Целлюлозные волокна в древесине связаны между собой жестким трехмерным полимером — лигнином, занимающим до 30% древесной массы.

Поэтому для получения целлюлозы древесину специально обрабатывают — чтобы размягчить лигнин и снизить его содержание.

Обычно для этих целей применяются два вида методов:

Механическиё метод

При механическом получении древесной массы древесину, как правило, истирают или размалывают в водной среде. Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна.

«Механическую» схему получения волокон целлюлозы можно описать примерно так. Промытая древесная щепа помещается в специальный рафинер, где измельчается и обрабатывается.

После очистки древесная масса готова для дальнейшей обработки. Поскольку, несмотря на обработку, лигнин не удаляется полностью, выход древесной массы получается высоким.

Наличие лигнина на поверхности и внутри волокон увеличивает их твердость и жесткость, а также придает им сравнительно стабильный размер.

Листы, полученные из «механической» древесной массы, имеют высокую пухлость и низкую плотность, то есть достаточно низкую массу единицы площади для данной толщины.

Это очень важно, поскольку отражается на технических и «экономических» показателях материала.

Наша компания занимается производством гофрокартона и упаковки из него. Также мы реализуем коробки из гофрокартона, микрогофрокартон и упаковочные материалы.

Химический метод

В случае если древесная щепа до получения древесной массы нагревается, получаемый продукт именуют ТММ — термохимической древесной массой (или ТМР, Termomechanical Pulp).

Если для удаления лигнина применяется химическая обработка, то продукт получает название химико — термомеханической массы (ХТММ).

Древесная масса, приготовленная механическим способом, сохраняет исходный цвет древесины, химико-термомеханическая масса немного светлее. Если масса дополнительно была еще и отбелена, то ее называют беленой химико-термомеханической массой (БХТММ).

Другая не менее известная технология — сульфитная варка целлюлозы. В обоих случаях нецеллюлозные компоненты, извлеченные из древесины, используются на целлюлозно-бумажных комбинатах как источник энергии или для других целей.

Общий объем получаемой химическим способом целлюлозы зависит от способа варки, а так же от вида древесины. «Выход» сырья может составлять от 40 до 65%. Конечно, это ниже, чем для древесной механической древесины, поскольку при варке из древесины удаляются не целлюлозные вещества. При этом объемы изготовления не снижаются.

Однако в этом есть и свои плюсы — бумагообразующие свойства волокон тем самым улучшаются.

Средняя длина волокна при химических способах получения полуфабрикатов из одной и той же древесины получается больше, чем при механических.

Волокна также становятся гибче. Все это обеспечивает получение более прочного и гибкого листа.

Отбелка целлюлозы

Поскольку после варки древесины целлюлоза приобретает коричневый цвет, ее необходимо отбеливать.

Целлюлоза обычно отбеливается путем удаления остаточного лигнина и других компонентов древесины. Чистые целлюлозные волокна обычно бесцветны и прозрачны, а сама беленая целлюлоза имеет красивый белый оттенок.

Учитывая, что для многих пищевых продуктов — чая, масла, шоколада, табака, — необходима чистая, не содержащая посторонних запахов и примесей целлюлоза, это очень важное свойство.

В прежние времена, еще до 1980-х годов, целлюлоза отбеливалась исключительно хлором или его соединениями. Это вызывало немало нареканий со стороны экологов, поскольку молекулярный хлор, взаимодействуя с лигнином, образовывал токсичные хлора — содержащие соединения. Они не редко попадали в сточные воды и отравляли окружающую среду. В современных процессах отбелки молекулярный хлор не применяется — его заменяет кислород, перекись водорода и диоксид хлора.

Побочные продукты такой отбелки безвредны.

Беленая целлюлоза обладает высокой стойкостью к воздействию света. Под его действием она лишь слегка желтеет.

«Вторичное» волокно

В качестве сырья для получения волокон целлюлозы может использоваться не только «чистая древесины», но и «отработанная» бумага — макулатура.

Отходы сортируют и превращают в макулатурную массу путем механической обработки в воде. После гидро — разбивателя, где бумажная масса распускается, сырье очищается и отправляется в картоноделательную машину.

В зависимости от природы исходного сырья, степени его обработки и переработки вторичное волокно может обладать различными свойствами.

Следует помнить, что всякий раз при переработке бумаги средняя длина волокна и способность к образованию межволоконных связей уменьшается. Кроме того, некоторые виды картона и бумаги изначально не подлежат вторичной переработке. Все это делает необходимым поступление на рынок волокна, полученного непосредственно из древесины. Иначе качество бумажного продукта будет снижаться.

В зависимости от вида и источника макулатуры существует много сортов макулатурного сырья. Они отличаются качеством и степенью пригодности для повторного использования.

• самое дорогое сырье — это белая бумага, не содержащая древесной массы.

• газетно-журнальная бумага обладает средней стоимостью и качеством.

• самая дешевая — смешанная макулатура, содержащая бумагу и картон.

Всего же, к примеру, в европейском отраслевом перечне описывается 57 видов макулатурного сырья. Подобные же перечни имеются в США, Японии и других развитых странах.

Исходя из назначения и требований к продукции, некоторые виды картона изготавливаются целиком из макулатурной массы — либо ее содержание в изделиях высоко. Другие же изделия изготавливают только из высококачественного первичного волокна — целлюлозы либо ее смеси с древесной массой.

Иные виды сырья в изотовлении картона

Содержание волокнистых (целлюлозных) полуфабрикатов достигает в изготовлении бумаги и картона 88%. Остальные 12% приходятся на неволокнистые добавки. Это могут быть:

• минеральные пигменты для мелования;
• наполнители и вещества для проклейки в бумажной массе;
• добавки для придания прочности;
• вещества для поверхностной проклейки;
• химикаты, облегчающие процесс приготовления бумаги.

Все эти вещества служат улучшению внешнего вида материалов, их функциональных качеств, а так же повышают эффективность изготовления.

Мелование

Мелование — это нанесение на одну или обе стороны бумаги специальной меловальной суспензии (в один или несколько слоев). Особое покрытие придает бумаге или картону необходимые свойства — хорошую впитываемость печатной краски, белизну, непрозрачность, гладкость, лоск.

В состав меловальной суспензии входят:

• пигменты — в их качестве используются каолин, мел, диоксид титана и пр.;
• связующие для полимеров, обеспечивающие соединение частиц пигментов с поверхностью бумаги или между собой;
• технологические добавки — оптические отбеливатели, красители, сшивающие агенты.

Чтобы улучшить впитываемость печатной краски, усилить непрозрачность бумаги и ее гладкость, применяются также и специальные наполнители.

Белые неорганические материалы, добавляемые в бумажную массу, «забивают» пустоты в волокнистой структуре, увеличивая рассеяние света.

Вместе с минеральными пигментами, применяемыми для мелования, наполнители составляют до 9% сырья, используемого бумажной промышленностью.

Проклейка

Для придания бумаге определенной степени гидрофобности используется проклейка в бумажной массе. Благодаря ей изделие приобретает ограниченные впитывающие свойства по отношению к чернилам, воде и другим жидкостям.

Обычно проклейка производится канифольным клеем — он, как правило, получается путем растворения живицы сосны в щелочи.

Во время приготовления бумажной массы в нее добавляют канифольный клей и сульфат алюминия. В результате их взаимодействия образуется резинат алюминия, покрывающий поверхность волокон.

В последнее время используют не только канифоль, но и способные к реакции синтетические проклеивающие материалы (например, клеи алкилкетендимер — АКД или алкенаниляторный ангидрид — АСА).

Для того чтобы придать бумаге прочность в условиях повышенной влажности в бумажную массу вводят мочевино- и меламиноформальдегидные смолы. Это может быть нужным, к примеру, для транспортной тары или многослойных бумажных мешков, которые могут оказаться под дождем.

Для увеличения прочности в сухом состоянии используют крахмал.
К слову, крахмал может применяться в бумажном производстве и для поверхностной проклейки в клеильном прессе. Перед началом работы бумаго- или картоноделательной машины раствор крахмала наносят на одну или обе поверхности листа. Тем самым увеличивается прочность листа, предотвращается «пылимость», влияющая на качество печати.

Также для улучшения свойств бумаги могут использоваться воск, акриловые смолы и фторуглероды.

Советуем прочитать:

Потребительская упаковка

Цветной гофрокартон

Где купить цветной гофрокартон

Гофрокоробки как POS материал

Какой упаковкой привлечь покупателя

Добавки

Что касается добавок, облегчающих технологический процесс, то тут применяются самые разные химические вещества.

К примеру, пеногасители и коагулянты улучшают обезвоживание при формовании листа.

Антисептики подавляют микробиологическую активность в изготовлении.

Также используются многообразные добавки, препятствующие оседанию смоляных загрязнений на бумагоделательной машине. Нарастая, а затем, отделяясь, они могут вызвать обрывы полотна и немалые проблемы при печати.

Таким образом, изготовление и дальнейшая обработка целлюлозы — сложный многоступенчатый процесс, требующий соблюдения всех технологических требований.

Источник