Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » 2. Целлюлоза
21:40
2. Целлюлоза

Одним из основных компонентов древесины является целлюлоза, в зависимости от сорта, возраста и влажности древесины, в ней содержится 20-60% целлюлозы. Набор интересных физико-химических свойств, возможность легкой химической модификации за счет гидроксильных групп, легкость и доступность выделения объясняют высокий промышленный интерес к данному соединению.

С целлюлозой в чистом виде человек познакомился на примере хлопковой ваты. Хлопчатник, произрастающий в южных регионах, защищает свои семена легкой, мягкой подушкой из почти чистой (99%) мелковолокнистой целлюлозы, остается только собрать этот пух и пустить его в дело. Первой и классической областью применения чистой целлюлозы (хлопкового волокна), стала текстильная промышленность. К сожалению, хлопчатник произрастает только в жарких и достаточно сухих регионах, поэтому, уже в средние века, человеку пришлось искать ему альтернативу. Частично, эту проблему решили использованием менее чистого целлюлозного сырья – льняное волокно и другие переработанные травянистые растения.

Развитие письменности потребовало от ученых и изобретателей нового материала, отличающегося легкостью, прочностью, чистотой и однородностью текстуры, компактностью и удобством в обращении (выделанные шкурки молодняка жвачных животных не удовлетворяли растущей потребности из-за высокой стоимости, ограниченной сырьевой базы и излишнего веса). Первыми, материалы для письма на основе целлюлозы, изготовили египтяне в третьем тысячелетии до нашей эры (папирус) и китайцы (первая бумага на текстильной основе). В виду несовершенства технологии, использования ручного труда и экспериментального постижения новой отрасли, бумага стоила практически на уровне выделанной кожи (при той же площади поверхности).

Прогресс наметился в 19 веке, в связи с активным развитием химии и промышленного производства. Настоящую революцию в технологии целлюлозы произвела разработка процесса сульфатной варки древесины. Стоимость бумаги снизилась в результате внедрения этой технологии в несколько раз (в конце 19-го, начале 20-го веков, в связи с автоматизацией и механизацией производства, стоимость бумаги снизилась еще на порядок, а к середине 20-го века книги стали доступны любому желающему).

Исходным сырьем для производства бумаги служит, так называемая, технологическая щепа, представляющая собой стружку или крупные опилки с длинной вдоль волокна 10-15 мм. В зависимости от сорта бумаги, могут применяться практически любые отходы механической переработки древесины.

Для удаления лигнина, используют сульфитную варку, в 8-14% растворе Na2SO3 или сульфатную варку в растворе сульфида натрия. За счет гидролиза данной соли раствор имеет щелочную реакцию, что упрощает гидролиз лигнина, но и приводит к деструкции целлюлозного волокна. Сульфитные анионы и продукты их превращений в растворе образуют растворимые в воде комплексы с элементами лигнина (а так же ксантогенаты и многие другие соединения, для нас важно, что обработка древесины кипящим раствором сульфитов переводит лигнин в растворимое состояние). Процесс проводят при температуре 120-180оС и давлении 3-8 атм. в автоклаве с мешалкой (автоклав – химический реактор для работы под давлением отличным от атмосферного) или промышленной установке с рецеркуляцией щелока. После варки, сырцовую (неочищенную) целлюлозу отделяют от раствора в барабанных фильтрах и отстойниках. Жидкая фаза содержит (кроме воды и остатков сульфита): моно и дисахариды, растворимые соединения элементов лигнина, продукты гидролизной деструкции лигнина, минеральные и органические соли и др. Этот раствор именуется "щелак", после упаривания или высаживания кислотой, твердая фаза идет на утилизацию или переработку

При варке и последующей промывке целлюлозы происходит также пластификация макромолекул целлюлозы водой. Полученную массу отбеливали обработкой какого-либо окислителя (классический вариант – гипохлорит натрия, в быту он знаком нам отбеливающее средство "Белизна”). Для отбеливания могут применяться: озон (трехатомная молекула кислорода, легко распадающаяся с выделением атомарного кислорода), перекись водорода или органические перекиси. Цель отбеливания – перевод в растворимое состояние остатков лигнина и продуктов его деструкции, или их разрушение до неокрашенных соединений (окисление хромофорных группировок). После отбеливания получается первичная бумажная масса, что бы представить ее себе, можете нарвать бумагу мелкими кусочками поместить в пластиковую бутылку, добавить немного воды, закрыть и встряхивать до получения однородной массы. Полученная влажная, тестообразная масса будет выглядеть как густая бумажная пульпа (взвесь целлюлозного волокна в воде, разумеется, с примесями технологических добавок, имеющихся в любой бумаге).

К технологии производства бумаги мы еще вернемся в другой раз, а пока вернемся к целлюлозе. Химически чистая целлюлоза представляет собой полисахарид из остатков глюкозы. То есть, это поликонденсированная β-глюкоза, линейный, достаточно полярный полимер. Характерной особенностью целлюлозы является наличие большого количества гидроксильных групп, по три на каждое элементарное звено (мономер). Эти гидроксильные группы обеспечивают высокую гидрофильность полимера. Так, за счет волокнистости (высокой удельной площади поверхности, м2/гр.) и высокого сродства ("похожести”) поверхности к воде, как целлюлоза, так и сухая древесина сильно притягивают воду. Полностью высушенная вата обладает хрупкостью стекла, так как, имея высокую полярность, данный полимер является жесткоцепным. Вода, проникая из пор и межволоконных промежутков в структуру полимера, выполняет функцию пластификатора, то есть раздвигает макромолекулы и снижает связи между ними. Вспомните, что влажная древесина более мягкая и эластичная чем сухая.

Способность легко впитывать воду с увеличением объема, использовали еще древние строители при прокладке туннелей в каменистой породе. За неимением взрывчатых веществ, для дробления использовали… сухие деревянные бруски. Для этого, бурили небольшой цилиндрический (форма не имеет значения) канал в камне (породе), забивали в него брусок и поливали его водой. Древесина впитывала воду, увеличивалась в размера и дробила камень, по образовавшимся трещинам намного легче продолжать разрушение скального массива.

Сульфитная варка, несмотря на ряд существенных недостатков, по сей день остается основным способом выделения целлюлозы, как для производства бумаги и ваты, так и для целей химической переработки. Для нужд химической промышленности, целлюлозу варят из древесины любого помола, с любой длинной волокна, так как физико-механические свойства продукта, как правило, не играют принципиальной роли (за исключением получения полимеров посредством модификации целлюлозы). Существует множество альтернативных технологий выделения целлюлозы из древесины: деструктивная экстракция лигнина в периодических и непрерывно действующих аппаратах, механический размол с последующей экстракцией, ферментативное выделение (в том числе, с предварительной промывкой от слабо сшитых компонентов лигнина) и др.

В данной статье не стоит подробно останавливаться на полимерных свойствах целлюлозы и на методах ее химической модификации, для этого есть соответствующий раздел сайта.

Категория: Древесина и деревопереработка | Просмотров: 2127 | Добавил: Chemadm | Теги: химия древесины, Переработка древесины, клетчатка | Рейтинг: 4.8/29
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]