Как выглядит целлюлоза для бумаги
Механический и химический способы получение целлюлозы
Из целлюлозы получают в дальнейшем бумагу и картон.
Получение целлюлозы и ее дальнейшая обработка
Всего существует два способа получения целлюлозы:
Процесс получения целлюлозы
Целлюлозу получают из чистой древесины и макулатуры.
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
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).
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.
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.
Побочные продукты такой отбелки безвредны.
Беленая целлюлоза обладает высокой стойкостью к воздействию света. Под его действием она лишь слегка желтеет.
«Вторичное» волокно
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.
Всего же, к примеру, в европейском отраслевом перечне описывается 57 видов макулатурного сырья. Подобные же перечни имеются в США, Японии и других развитых странах.
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:
Все эти вещества служат улучшению внешнего вида материалов, их функциональных качеств, а так же повышают эффективность изготовления.
Мелование
В состав меловальной суспензии входят:
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.
Во время приготовления бумажной массы в нее добавляют канифольный клей и сульфат алюминия. В результате их взаимодействия образуется резинат алюминия, покрывающий поверхность волокон.
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.
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.
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.
Нахождение целлюлозы в природе:
В чистом виде в природе не содержится.
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 %.
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:
2. реакция нитрования целлюлозы (т.е. реакция целлюлозы с азотной кислотой).
3. реакция этерификации целлюлозы с уксусной кислотой.
4. реакция пиролиза целлюлозы:
5. реакция горения целлюлозы:
В результате реакции происходит полное окисление целлюлозы до углекислого газа и воды.
Производство и получение целлюлозы:
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;
– 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 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 %),
О бумаге внукам. Часть 2. Подготовка древесины
Не так давно, в начале 19 века людям потребовалось так много бумаги, что они спешно нашли замену тряпичному источнику сырья для её производства. Таким новым источником стала древесина. Дерево, растущее довольно самостоятельно и постоянно возобновляющееся, вырастающее снова на месте срубленного, прекрасно помогло людям в их стремлении жить в окружении бумаги, картона и изделий из них.
Разберёмся, на каких предприятиях изготавливают бумагу. Как происходит предварительная обработка древесины и превращение её или в клетчатку или в древесную массу? Какая бумага может быть получена и из первой, и из второй?
Где делают бумагу
Бумага делается на нескольких типах предприятий.
Чтобы приступить к изготовлению бумаги, нужно древесину, во-первых, подготовить к производству: рассортировать, измельчить, а во-вторых, преобразовать её в промежуточный продукт, и таких продуктов может быть два: клетчатка – она же целлюлоза (так её называют на предприятиях) и древесная масса. Эти продукты очень разные по свойствам и это учитывается при производстве бумаги.
Подготовка древесины к производству
Поступает древесина на лесную биржу целлюлозного завода или лесопромышленного комплекса. Стволы деревьев здесь называют балансами. Они достигают нескольких метров длиной.
Балансы хранятся на лесной бирже в штабелях или в кучах.
Балансы проходят ряд стадий переработки на специализированном оборудовании.
Распиливаются, с них снимается кора (кора или идёт на переработку в ценные продукты, о которых поговорим отдельно, или сжигается с получением тепла для производства целлюлозы и бумаги);
Удаляется кора на высокопроизводительных окорочных барабанах. Они наклонены. С приноднятой стороны загружают укороченные балансы-коротьё, в барабан поступает вода и вращаясь с балансов сдирается кора от тренья об острые выступы стенок барабана и при трение брёвен друг о друга.
Окорённая древесина поступает в рубительные машины, которые измельчают её. Так выглядит щепа полученная из рубительной машины. Дальше она проходит сортировочные машины, где удаляется мелочь и слишком крупные щепки.
Как отмечалось в посте 1, древесина может использоваться в виде отходов от деревопереработки, и тогда она приходит в разной степени измельчения и загрязнения. Её тоже пропускают по цепочке измельчающего и очистного оборудования, чтобы получить щепу необходимого качества.
Варка целлюлозы
Производство бумаги происходит на бумажных фабриках, которые иногда бывают самостоятельными предприятиями. В этом случае они покупают для производства бумаги не древесину, а тот самый промежуточный продукт из преобразованной древесины — клетчатку (её называют бумажники, как вы уже знаете, целлюлозой) и второй промежуточный продукт – древесную массу.
Целлюлоза производится на целлюлозных заводах.
Древесная щепа поступает на варку в варочный котёл.
В ходе варки, как в обыкновенной домашней скороварке на вашей кухне где к нагреванию добавляется и давление образующегося водяного пара, происходит выделение из древесины как из кусочков курицы, растворимых веществ. Эти растворимые вещества очень ценные и хотя их нельзя использовать в пищу как куриный бульон, из них получают после переработки много полезных веществ.
Варят древесину разными способами, но наиболее распространены варочные бульоны, состоящие из кислотных или щелочных растворов. В результате получается сульфитная или сульфатная целлюлоза. Щелочная (сульфатная) варка более универсальная и более широко распространена. Она справляется с варкой любой древесины и более экономична.
Варка происходит в котлах. На рисунке котёл непрерывной сульфатной варки целлюлозного завода. Сверху загружается щепа, которая поднимается на высоту верхней горловины котла элеватором. Высота котла превышает 70 м, диаметр в нижней части больше 12 м.
В котёл подаётся варочный раствор и смесь щепы и варочного раствора нагревается до 160 градусов. Варка продолжается несколько часов. Снизу, ещё в котле, целлюлоза первый раз промывается и горячей выгружается в приёмный бассейн.
Вернёмся к курице – роль, которой у нас выполняет щепа. После удаления бульона – варочного раствора, щепа только начинает распадаться на волокна. Основу этих волокон составляет клетчатка или целлюлоза. Целлюлоза – очень прочное вещество, она выдерживает нагрузку более высокую, чем сталь. Неудивительно, что деревья достигают такой высоты и не ломаются при сильных порывах ветра.
Важно заметить, что бульон на целлюлозном заводе, как у хорошей хозяйки пускается в дело. Часть его используется для возврата в производство для добавления к свежему варочному раствору. Часть используется для получения многих полезных веществ восков, смол, мыла, лекарственных веществ, лаков и пр.
Иногда целлюлолозу после варки не отбеливают, тогда она меньше теряет свои прочностные свойства и прекрасно подходит для изготовления крепкого гофрокартона.
Из такой целлюлозы производят мешочную бумаги. Такую целлюлозу называют ещё “крафт-целлюлозой”, а бумагу из неё “крафт-бумагой”.
Два потока после варки
Промытая целлюлоза в водной среде может разделяться на ДВА ПОТОКА.
1. Один подаётся на сетку отливной машины, где формируется толстая папка целлюлозы, которая подсушивается, разрезается на листы пакуется в кипы и поступает на рынок, в том числе, целлюлозный завод продаёт её и бумажным фабрикам;
Листовая целлюлоза после отбелки и сушки выглядит так. Внешне, она уже похожа на бумагу! Но сходство только поверхностное. Чтобы из целлюлозы получить бумагу придётся ещё потрудиться.
2. Если целлюлозный завод и бумажная фабрика образуют единое предприятие, а это бывает часто — другая часть целлюлозы идёт на эту бумажную фабрику, входящую в состав целлюлозно-бумажного комбината без сушки “жидким потоком” вместе с водой. Волокна такой целлюлозы лучше сохраняют свои прочностные качества и имеют большие возможности для образования связей между собой. А это важно для производства бумаги.
Из деревьев получают техническую целлюлозу (в ней есть остатки других элементов древесины, главный из которых лигнин).
Природная, очень чистая целлюлоза содержится в хлопке. Хлопок тоже варят и отбеливают.
Из хлопковой целлюлозы делают, например, банкнотную бумагу для бумажных денег.
Древесно-массное производство
Если древесину не варить, чтобы выделить из неё клетчатку, то можно преобразовать её в продукт, пригодный для производства бумаги другим способом. Этот продукт называется древесной массой. Все вещества, входящие в древесину, остаются в древесной массе.
Первоначально древесную массу получали, прижимая окорённые балансы к вращающемуся абразивному (шершавому) камню, которые вырезали из природной породы. На рисунке схема машины для получения древесной массы истиранием древесных брёвнышек — “коротья”.
Так выглядят камни дефибрёров
В современном производстве древесную массу чаще получают размалывая не коротьё, а щепу на специальных мельницах с предварительным подогревом или пропиткой химикатами для удаления некоторого количества растворимых веществ и улучшения свойств древесной массы.
Дисковые рафинёры-мельницы для размола щепы и получения древесной массы.
Древесная масса позволяет почти до 2 раз уменьшать расход древесины на производство бумаги. Особенность древесной массы в том, что она даёт меньшую прочность бумаги, потому что прочные целлюлозные волокна в ней, закрыты другими компонентами. Волокна в ней не такие гибкие, как у целлюлозы, их поверхность не раскрыта и между волокнами древесной массы в бумажном листе не образуются прочные связи, какие возникают между волокнами целлюлозы.
Если положить рядом газету и лист офисной или тетрадной бумаги, то можно увидеть различие по белизне. В газетной бумаге до 80 % древесной массы и она слабее и не такая белая, как офисная, в которой, как правило, 100% целлюлозы.
Древесную массу тоже можно отбеливать для использования в более высококачественной бумаге. На рисунке показана термо-механическая древесная масса после отбелки. Такую массу вполне добавляют в белые виды офисной, писчей и печатной бумаги.
Теперь мы знаем, что бумагу, как и картон, можно производить и из целлюлозы и из древесной массы, а чаще производят из их смеси. Происходит это на бумагоделательной машине. О производстве бумаги на ней поговорим в другом посте.
Обратите внимание на другие посты из серии “О бумаге внукам”.