Сравнение степени воздействия факторов сульфатной варки на химический состав и вязкость лиственной и хвойной целлюлозы. Сообщение 1. Влияние температуры и продолжительности варки Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 676.164.3:676.022.6

СРАВНЕНИЕ СТЕПЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ СУЛЬФАТНОЙ ВАРКИ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ВЯЗКОСТЬ ЛИСТВЕННОЙ И ХВОЙНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ. СООБЩЕНИЕ 1. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ВАРКИ

© Т.Е. Карманова , В.И. Комаров, Л.А. Миловидова

Архангельский государственный технический университет, Набережная Северной Двины, 17, Архангельск, (Россия) e-mail: [email protected]

Изучено влияние температуры и продолжительности варки на химический состав и вязкость лиственной и хвойной сульфатной целлюлозы. Установлено, что критической для варки лиственной целлюлозы является температура 156 °С, а для варки хвойной целлюлозы - 168 °С.

Ключевые слова: хвойная сульфатная целлюлоза, лиственная сульфатная целлюлоза, химический состав, вязкость, число Каппа, лигнин, группы гексенуроновых кислот.

Введение

Известно, что для сульфатной целлюлозы, предназначенной для производства бумаги и картона, стандартными являются характеристики механической прочности [1, 2]. В последнее время все большее внимание уделяется характеристикам деформативности, позволяющим лучше оценивать потребительские свойства [3, 4]. Физико-механические показатели дают возможность получить результат в течение 8-12 ч. В работе [5] предложено в качестве экспресс-анализа потребительских свойств сульфатной целлюлозы использовать характеристику ее вязкости [6], которая, по данным авторов, коррелировала с характеристиками прочности - разрывной длиной, сопротивлением продавливанию, сопротивлением раздиранию. Оценка вязкости целлюлозы может быть проведена в течение двух часов. Таким образом, исследование взаимосвязи вязкости с характеристиками деформативности и прочности сульфатной целлюлозы из лиственной и хвойной древесины представляет как теоретический, так и практический интерес.

Экспериментальная часть

Для получения таких зависимостей нами проведены сульфатные варки лиственной и хвойной щепы с целью получения образцов целлюлозы с различными значениями числа Каппа и вязкости. На первом этапе эксперимента выполнена оценка влияния температуры варки на изменение химического состава и вязкости небеленых целлюлоз.

Варки проводились в стационарных автоклавах при гидромодуле 4. Концентрация активной щелочи при варке лиственной целлюлозы составляла 49 г/л, интервал температур варки 152-160 °С, для хвойной целлюлозы концентрация активной щелочи 58 г/л, интервал температур 164-172 °С. Выбранные концентрации позволили получить образцы целлюлозы в достаточно широком диапазоне изменений числа Каппа. Для лиственной целлюлозы число Каппа изменялось от 15 до 30, для хвойной - от 20 до 45.

Обсуждение результатов

Во всех образцах целлюлозы определяли выход, число Каппа, вязкость, содержание лигнина и групп гек-сенуроновых кислот (ГУК). Результаты представлены в таблицах 1, 2 и на рисунках 1, 2.

* Автор, с которым следует вести переписку.

Как и следовало ожидать, повышение температуры приводит к снижению значений всех характеристик, как для лиственной, так и для хвойной целлюлозы. В таблице 1 представлены результаты влияния температуры варки на выход лиственной целлюлозы при одинаковых значениях числа Каппа.

Выход лиственной целлюлозы, как следует из представленных данных, зависел в большей степени от числа Каппа. Небольшое снижение выхода наблюдается лишь при повышении температуры варки до 160 °С.

Кривые, характеризующие снижение числа Каппа лиственной щепы по ходу варки (рис. 1а), идут практически параллельно друг другу, т.е. скорость делигнификации для интервала температур 152-160 °С одинакова. При этом при продолжительности варки до 90 мин снижение числа Каппа на 1 °С повышения температуры составляет 0,8-1,2 единиц, при увеличении продолжительности снижение составляет не более 0,5-

0,8 единиц.

Характер изменения содержания лигнина в лиственной целлюлозе (рис. 1б) не полностью соответствует характеру снижения числа Каппа. Заметное снижение содержания лигнина, как и уменьшение числа Каппа, происходит при повышении температуры варки от 152 до 156 °С. Возрастание температуры до 160 °С практически не влияет на процесс делигнификации. Кривая снижения содержания лигнина для температуры 160 °С почти совпадает с аналогичной кривой для температуры 156 °С, особенно после 60 мин стоянки на конечной температуре.

Таблица 1. Влияние температуры варки и числа Каппа на выход и вязкость лиственной целлюлозы

Число Каппа Температура, °С Выход, % Вязкость, мл/г

152 54,0 1180

20 156 54,4 1120

160 53,4 1060

152 53,0 1040

17 156 53,4 1030

160 52,2 990

Т, мин

га

с

0)

0)

ч

О

и

Т, мин

б

Т, мин

180

а

в г

Рис. 1. Зависимость числа Каппа (а), содержания лигнина (б), групп ГУК (в) и вязкости (г) лиственной целлюлозы от продолжительности варки. Начальная температура варки: 1 - 152 °С; 2 - 156 °С; 3 - 160 °С

Таблица 2. Влияние температуры варки и числа Каппа на выход и вязкость хвойной целлюлозы

Число Каппа Температура, °С Выход, % Вязкость, мл/г

164 49,8 840

30 168 47,6 860

172 47,4 750

164 46,4 820

25 168 46,7 820

172 43,3 650

164 - -

20 168 42,0 680

172 41.1 570

Т, нин

60

90 120

Т, нин

150

в;

ш

1000

950

900

850

800

750

700

650

600

550

X. 1

|<^2

:

=

і I _

60

90

120

150

Т, мин

б

а

в г

Рис. 2. Зависимость числа Каппа (а), содержания лигнина (б), групп ГУК (в) и вязкости хвойной целлюлозы (г) от продолжительности варки. начальная температура варки: 1 - 164 °С; 2 - 168 °С; 3 - 172 °С

Содержание групп ГУК в лиственной целлюлозе (рис. 1в) существенно зависело от температуры варки. Для интервала температур 152-156 °С содержание групп ГУК по ходу варки изменяется от 60 до 35 ммоль/кг, а для 160 °С интервал изменения составляет 30-20 ммоль/кг. При варке на температуре 152156 °С наиболее заметное снижение групп ГУК наблюдается в интервале 60-90 мин стоянки на конечной температуре, после чего изменение несущественно. При повышении температуры варки до 160 °С содержание групп ГУК уже к 30 мин варки уменьшается примерно в два раза.

Сопоставление характера изменения числа Каппа, содержания лигнина и групп ГУК позволяет считать, что снижение числа Каппа при варке на температуре 160 °С в большей степени обусловлено разрушением групп ГУК.

Вязкость лиственной целлюлозы (рис. 1г) снижается по ходу варки при снижении числа Каппа и повышении температуры. При этом абсолютные значения вязкости достаточно высокие 1000-1200 мл/г. В таблице 1 представлены результаты влияния температуры варки на вязкость целлюлозы при одинаковых значениях числа Каппа. Несложный расчет показал, что повышение температуры на 1 °С приводит к снижению вязкости примерно на 20 мл/г, что существенно ниже ошибки определения (50 мл/г).

Общий характер влияния температуры варки на показатели хвойной целлюлозы был таким же, как и для лиственной, но при этом значение выхода было ниже, а значение числа Каппа - выше, чем для лиственной целлюлозы (рис. 2а). В таблице 2 представлены результаты влияния температуры варки на выход при одинаковых значениях числа Каппа целлюлозы.

Для значений числа Каппа 20, которые были получены как для лиственной, так и для хвойной целлюлозы, разница в значениях выхода составляет около 10%.

Анализируя характер кривых изменения числа Каппа, содержания лигнина и групп ГУК для хвойной целлюлозы (рис. 2а-в), можно отметить более равномерное снижение числа Каппа и содержания лигнина по ходу варки, чем это наблюдалось для лиственной целлюлозы. При этом содержание групп ГУК в хвойной целлюлозе для интервала температур 164-168 °С практически одинаково и изменяется по ходу варки от 37 до 30 ммоль/кг. При повышении температуры варки до 172 °С характер снижения содержания групп ГУК совпадает с характером снижения числа Каппа, что имело место и для варок лиственной целлюлозы. Содержание групп ГУК к концу варки при данной температуре составляет 20 ммоль/кг.

Значения вязкости для хвойной целлюлозы существенно ниже, чем для лиственной (рис. 2г). Интервал изменения вязкости для хвойной целлюлозы - 550-950 мл/г. Характер влияния температуры на вязкость хвойной целлюлозы в целом такой же, как для лиственной, но повышение температуры до 172 °С приводит к весьма значительному снижению этого показателя - более чем на 200 мл/г (рис. 2, табл. 2). К заметному снижению вязкости приводит также уменьшение числа Каппа до 20.

Поскольку при варке на температуре 172 °С для хвойной целлюлозы были получены значения числа Каппа, соответствующие уровню таковых для лиственной целлюлозы, можно утверждать, что вязкость хвойной целлюлозы примерно в два раза ниже, чем лиственной, при одинаковых значениях числа Каппа.

Выводы

1. Выполненный эксперимент показал, что общий характер изменения химического состава и вязкости при варке лиственной и хвойной целлюлозы не имеет принципиальных отличий. Повышение температуры и увеличение продолжительности варки лиственной и хвойной целлюлозы приводит к снижению числа Каппа, содержания лигнина и групп ГУК. Снижение числа Каппа лиственной целлюлозы при проведении варки в интервале температур 152-156 °С и хвойной целлюлозы в интервале температур 164-168 °С совпадает со снижением содержания лигнина. При дальнейшем повышении температуры снижение числа Каппа обусловлено уменьшением содержания групп ГУК.

2. При близких значениях числа Каппа вязкость образцов лиственной целлюлозы в 1,5-2 раза выше, чем образцов хвойной целлюлозы. При одинаковых значениях числа Каппа выход лиственной целлюлозы примерно на 10% выше, чем хвойной.

3. При варке лиственной целлюлозы повышение температуры от 152 до 156 °С практически не приводит к снижению вязкости. Лишь возрастание температуры варки до 160 °С влечет за собой снижение вязкости.

4. При варке хвойной целлюлозы повышение температуры от 164 до 168 °С также не приводит к снижению вязкости. Существенное снижение вязкости (более чем на 150 мл/г) наблюдается при увеличении температуры до 172 °С.

Заключение

Таким образом, на основе полученных результатов можно утверждать, что критической с точки зрения сохранения вязкости и соотношения числа Каппа и содержания лигнина для варки лиственной целлюлозы является температура 156 °С, а хвойной - 168 °С.

Список литературы

1. ГОСТ 28172-89. Целлюлоза сульфатная беленая из смеси лиственных пород древесины. Технические условия. Дата введения 01.07.90. М., 1989. 10 с.

2. ГОСТ 11208-82. Целлюлоза древесная (хвойная) сульфатная небеленая. Технические условия. Дата введения 01.01.83. М., 1982. 6 с.

3. Комаров В.И. Деформация и разрушение волокнистых целлюлозно-бумажных материалов. Архангельск, 2002. 440 с.

4. Kazakov Ya., Komarov V., Suhanov A. Analysis of local deformations and stresses in structure of handmade sheets with different furnish under tensile loading // Progress in paper physics seminar: Proceedings. Helsinki University of Technology, TKK, Dipoli, Otaniemi, Espoo, Finland, 2008. Pp. 201-205.

5. Reeve D.W., Dence C.W. Introduction to the principles and practice of pulp bleaching in pulp bleaching: principles and practice. Atlanta, Georgia: Tappi press, 1996. 847 p.

Поступило в редакцию 23 ноября 2009 г.