CELULÓZA
vlákno, hlavní stavební materiál rostlinného světa, tvořící buněčné stěny stromů a jiných vyšších rostlin. Nejčistší přírodní formou celulózy jsou chloupky ze semen bavlníku.
Čištění a izolace. V současné době mají průmyslový význam pouze dva zdroje celulózy – bavlna a dřevitá buničina. Bavlna je téměř čistá celulóza a nevyžaduje složité zpracování, aby se stala výchozím materiálem pro umělá vlákna a nevláknité plasty. Po oddělení dlouhých vláken používaných k výrobě bavlněných látek z bavlněného semene zůstávají krátké chlupy neboli „chlupy“ (bavlněná chmýří), dlouhé 10-15 mm. Žmolky se oddělí od semen, zahřívá se pod tlakem s 2-6% roztokem hydroxidu sodného po dobu 2,5-3 hodin, potom se promyje, vybělí chlorem, znovu se promyje a suší. Výsledný produkt je 99% čistá celulóza. Výtěžnost je 80 % (hm.) vláken, zbytek tvoří lignin, tuky, vosky, pektáty a slupky semen. Dřevovina se obvykle vyrábí ze dřeva jehličnatých stromů. Obsahuje 50-60% celulózy, 25-35% ligninu a 10-15% hemicelulóz a necelulózových uhlovodíků. Při sulfitovém procesu se dřevěné štěpky vaří pod tlakem (asi 0,5 MPa) při 140 °C s oxidem siřičitým a hydrogensiřičitanem vápenatým. V tomto případě ligniny a uhlovodíky přecházejí do roztoku a celulóza zůstává. Po umytí a vybělení se vyčištěná hmota odlije do volného papíru, podobného savému papíru, a vysuší. Tato hmota se skládá z 88-97% celulózy a je docela vhodná pro chemické zpracování na viskózové vlákno a celofán, stejně jako deriváty celulózy – estery a ethery. Proces regenerace celulózy z roztoku přidáním kyseliny do jejího koncentrovaného měďno-amonného (tj. obsahujícího síran měďnatý a hydroxid amonný) vodného roztoku popsal Angličan J. Mercer kolem roku 1844. Ale první průmyslová aplikace této metody, která značila počátek průmyslu měděných amonných vláken se připisuje E. Schweitzerovi (1857) a o jeho další rozvoj se zasloužili M. Kramer a I. Schlossberger (1858). A teprve v roce 1892 Cross, Bevin a Beadle v Anglii vynalezli způsob výroby viskózového vlákna: viskózní (odtud název viskóza) vodný roztok celulózy byl získán po ošetření celulózy nejprve silným roztokem hydroxidu sodného, který poskytl „sodu“. celulózou“ a poté sirouhlíkem (CS2), což vede k rozpustnému xanthátu celulózy. Vytlačením proudu tohoto „zvlákňovacího“ roztoku přes zvlákňovací trysku s malým kulatým otvorem do kyselé lázně došlo k regeneraci celulózy ve formě vlákna z umělého hedvábí. Když byl roztok vytlačen do stejné lázně přes matrici s úzkou štěrbinou, získal se film zvaný celofán. J. Brandenberger, který na této technologii pracoval ve Francii v letech 1908 až 1912, jako první patentoval kontinuální proces výroby celofánu.
Chemická struktura. Navzdory širokému průmyslovému využití celulózy a jejích derivátů byl v současnosti přijímaný chemický strukturní vzorec celulózy navržen (W. Haworthem) až v roce 1934. Od roku 1913 je však znám její empirický vzorec C6H10O5, stanovený na základě kvantitativní analýzy dobře- promyté a vysušené vzorky : 44,4 % C, 6,2 % H a 49,4 % O. Díky práci G. Staudingera a K. Freudenberga bylo také známo, že se jedná o molekulu polymeru s dlouhým řetězcem sestávající z těch, které jsou znázorněny na Obr. 1 opakující se glukosidové zbytky. Každá jednotka má tři hydroxylové skupiny – jednu primární (- CH2CHOH) a dvě sekundární (>CHCHOH). V roce 1920 E. Fisher stanovil strukturu jednoduchých cukrů a ve stejném roce rentgenové studie celulózy poprvé ukázaly jasný difrakční obrazec jejích vláken. Rentgenový difrakční obraz bavlněného vlákna ukazuje jasnou krystalickou orientaci, ale lněné vlákno je ještě uspořádanější. Když je celulóza regenerována do formy vlákna, krystalinita se do značné míry ztrácí. Jak je snadno vidět ve světle výdobytků moderní vědy, strukturní chemie celulózy se v letech 1860 až 1920 prakticky zastavila z toho důvodu, že po celou tu dobu zůstávaly pomocné vědecké disciplíny nutné k řešení problému v plenkách.
REGENEROVANÁ CELULÓZA
Viskózové vlákno a celofán. Viskózové vlákno i celofán jsou regenerovanou (z roztoku) celulózy. Na vyčištěnou přírodní celulózu se působí přebytkem koncentrovaného hydroxidu sodného; Po odstranění přebytku se hrudky melou a výsledná hmota se udržuje za pečlivě kontrolovaných podmínek. S tímto „stárnutím“ se délka polymerních řetězců zkracuje, což podporuje následné rozpouštění. Poté se drcená celulóza smíchá se sirouhlíkem a výsledný xanthát se rozpustí v roztoku hydroxidu sodného, čímž se získá „viskóza“ – viskózní roztok. Když viskóza vstoupí do vodného roztoku kyseliny, regeneruje se z ní celulóza. Zjednodušené celkové reakce jsou:
Viskózové vlákno, získané vymačkáváním viskózy malými otvory zvlákňovací trysky do kyselého roztoku, je široce používáno pro výrobu oděvů, závěsů a potahových látek, jakož i v technologii. Značné množství viskózových vláken se používá na technické pásy, pásky, filtry a kordy pneumatik.
Celofán. Celofán, získaný vymačkáváním viskózy do kyselé lázně přes zvlákňovací trysku s úzkou štěrbinou, poté prochází pracími, bělícími a plastifikačními lázněmi, prochází sušícími bubny a navíjí se do role. Povrch celofánové fólie je téměř vždy potažen nitrocelulózou, pryskyřicí, nějakým druhem vosku nebo laku pro snížení prostupu vodní páry a poskytnutí možnosti tepelného zatavení, protože nepotažený celofán nemá vlastnosti termoplastičnosti. V moderní výrobě se k tomu používají polymerní povlaky typu polyvinylidenchlorid, protože jsou méně propustné pro vlhkost a poskytují odolnější spojení při tepelném svařování. Celofán je široce používán především v obalovém průmyslu jako obalový materiál pro suché zboží, potravinářské výrobky, tabákové výrobky a také jako podklad pro samolepicí balicí pásky.
Viskózová houba. Kromě vytváření vlákna nebo filmu může být viskóza smíchána s vhodnými vláknitými a jemně krystalickými materiály; Po kyselé úpravě a vyluhování vodou se tato směs přemění na viskózní houbový materiál (obr. 2), který se používá pro balení a tepelnou izolaci.
Rýže. 2. ETAPA VÝROBY tří typů celulózových výrobků: viskózová houba, viskózové vlákno a celofán.
Měď-amoniakové vlákno. Regenerované celulózové vlákno se také vyrábí v průmyslovém měřítku rozpuštěním celulózy v koncentrovaném roztoku mědi a amoniaku (CuSO4 v NH4OH) a zvlákňováním výsledného roztoku na vlákno v kyselé srážecí lázni. Toto vlákno se nazývá měděno-amoniakové vlákno.
VLASTNOSTI CELULÓZY
Chemické vlastnosti. Jak je znázorněno na Obr. 1, celulóza je vysoce polymerní sacharid skládající se z glukosidových zbytků C6H10O5 spojených etherovými můstky v poloze 1,4. Tři hydroxylové skupiny v každé glukopyranózové jednotce mohou být esterifikovány organickými činidly, jako je směs kyselin a anhydridů kyselin s vhodným katalyzátorem, jako je kyselina sírová. Ethery mohou vznikat působením koncentrovaného hydroxidu sodného, což vede ke vzniku sodné celulózy a následné reakci s alkylhalogenidem:
Reakcí s ethylenoxidem nebo propylenoxidem vznikají hydroxylované ethery:
Přítomnost těchto hydroxylových skupin a geometrie makromolekuly určují silnou polární vzájemnou přitažlivost sousedních jednotek. Přitažlivé síly jsou tak silné, že běžná rozpouštědla nejsou schopna přerušit řetězec a rozpustit celulózu. Tyto volné hydroxylové skupiny jsou také zodpovědné za větší hygroskopičnost celulózy (obr. 3). Esterifikace a etherizace snižují hygroskopičnost a zvyšují rozpustnost v běžných rozpouštědlech.
Rýže. 3. ABSORPCE VLHKOSTI celulózy (čištěná bavlna) za rovnovážných podmínek při 25° C. Graf závislosti množství absorbované vlhkosti (v procentech sušiny) na relativní vlhkosti vzduchu.
Vlivem vodného roztoku kyseliny se přeruší kyslíkové můstky v poloze 1,4-. Úplným přerušením řetězce vzniká glukóza, monosacharid. Počáteční délka řetězce závisí na původu celulózy. Maximální je v přirozeném stavu a klesá během procesu izolace, čištění a přeměny na deriváty (viz tabulka).
STUPEŇ POLYMERIZACE CELULÓZY
Materiál Počet glukosidových zbytků
Surová bavlna 2500-3000
Prach z čištěné bavlny 900-1000
Rafinovaná dřevitá buničina 800-1000
Regenerovaná celulóza 200-400
Průmyslový acetát celulózy 150-270
I mechanický střih, například při abrazivním broušení, vede ke zkrácení délky řetězu. Když se délka polymerního řetězce sníží pod určitou minimální hodnotu, změní se makroskopické fyzikální vlastnosti celulózy. Oxidační činidla působí na celulózu, aniž by způsobila štěpení glukopyranózového kruhu (obr. 4). Následné působení (v přítomnosti vlhkosti, jako při testování klimatu) obvykle vede k rozštěpení řetězce a zvýšení počtu koncových skupin podobných aldehydu. Protože se aldehydové skupiny snadno oxidují na karboxylové skupiny, obsah karboxylu, který se v přírodní celulóze prakticky nevyskytuje, v podmínkách atmosférických vlivů a oxidace prudce stoupá.
Rýže. 4. Různé způsoby oxidace celulózy působením oxidačních činidel.
Jako všechny polymery je celulóza zničena vlivem atmosférických faktorů v důsledku kombinovaného působení kyslíku, vlhkosti, kyselých složek vzduchu a slunečního záření. Důležitá je ultrafialová složka slunečního záření a mnoho dobrých UV ochranných prostředků prodlužuje životnost produktů derivátů celulózy. Kyselé složky vzduchu, jako jsou oxidy dusíku a síry (které jsou vždy přítomny v atmosférickém vzduchu průmyslových oblastí), urychlují rozklad, který má často silnější účinek než sluneční záření. V Anglii tak bylo zaznamenáno, že vzorky bavlny testované na vystavení atmosférickým podmínkám v zimě, kdy prakticky nebylo jasné sluneční světlo, degradovaly rychleji než v létě. Faktem je, že spalování velkého množství uhlí a plynu v zimě vedlo ke zvýšení koncentrace oxidů dusíku a síry v ovzduší. Lapače kyselin, antioxidanty a UV absorbéry snižují citlivost celulózy na povětrnostní vlivy. Substituce volných hydroxylových skupin vede ke změně této citlivosti: dusičnan celulózy degraduje rychleji a acetát a propionát – pomaleji.
Fyzikální vlastnosti. Polymerní řetězce celulózy jsou baleny do dlouhých svazků neboli vláken, ve kterých jsou vedle uspořádaných krystalických i méně uspořádané amorfní úseky (obr. 5). Naměřené procento krystalinity závisí na typu celulózy a také na způsobu měření. Podle rentgenových údajů se pohybuje od 70 % (bavlna) do 38-40 % (viskózové vlákno). Rentgenová strukturní analýza poskytuje informace nejen o kvantitativním vztahu mezi krystalickým a amorfním materiálem v polymeru, ale také o stupni orientace vláken způsobené natahováním nebo normálními růstovými procesy. Ostrost difrakčních prstenců charakterizuje stupeň krystalinity a difrakční skvrny a jejich ostrost charakterizují přítomnost a stupeň preferované orientace krystalitů. Ve vzorku recyklovaného acetátu celulózy vyrobeného procesem suchého zvlákňování je stupeň krystalinity i orientace velmi malý. Ve vzorku triacetátu je stupeň krystalinity vyšší, ale neexistuje žádná preferovaná orientace. Tepelné zpracování triacetátu při teplotě 180-240 °C výrazně zvyšuje stupeň krystalinity a orientace (protahováním) v kombinaci s tepelným zpracováním dává nejobjednávanější materiál. Len vykazuje vysoký stupeň krystalinity i orientace.
См. также
ORGANICKÁ CHEMIE;
PAPÍR A JINÉ PSACÍ MATERIÁLY;
PLASTY.
Rýže. 5. MOLEKULÁRNÍ STRUKTURA celulózy. Molekulární řetězce procházejí několika micelami (krystalickými oblastmi) délky L. Zde jsou A, A’ a B’ konce řetězců ležících v krystalizované oblasti; B je konec řetězce mimo krystalizovanou oblast.
REFERENCE
Bushmelev V.A., Volman N.S. Procesy a zařízení pro výrobu buničiny a papíru. M., 1974 Celulóza a její deriváty. M., 1974 Akim E.L. a další Technologie zpracování a zpracování celulózy, papíru a lepenky. L., 1977
Collierova encyklopedie. — Otevřená společnost. 2000.
Celulóza je bílá pevná látka. Je nerozpustný ve vodě, molekula má lineární (polymerní) strukturu.
Strukturní jednotkou celulózy je β-glukózový zbytek. Z celulózy se následně vyrábí papír a lepenka.
Z celulózy se následně vyrábí papír a lepenka.
Výroba celulózy a její další zpracování
Jednou z hlavních etap výroby papíru a lepenky je výroba celulózových vláken a jejich další zpracování. Tato fáze určuje kvalitu a cenu výsledných produktů.
Existují dva způsoby, jak získat celulózu:
- mechanické
- chemikálie.
Proces výroby buničiny
Celulóza se získává z čistého dřeva a sběrového papíru.
Celulózová vlákna se získávají z tzv. dřevní buničiny. Celulózová vlákna ve dřevě jsou vzájemně propojena tuhým trojrozměrným polymerem – ligninem, který zaujímá až 30 % dřevní hmoty.
Pro získání celulózy se proto dřevo speciálně zpracovává, aby změkčil lignin a snížil jeho obsah.
Obvykle se pro tyto účely používají dva typy metod:
Mechanická metoda
Při mechanické výrobě buničiny se dřevo obvykle mele nebo mele ve vodném prostředí. Vlivem vody, tepla a speciálních činidel lignin měkne a dřevo se rozpadá na jednotlivá vlákna.
„Mechanické“ schéma výroby celulózových vláken lze popsat asi takto. Vypraná štěpka se umístí do speciálního rafinéru, kde se drtí a zpracovává.
Po vyčištění je dřevní hmota připravena k dalšímu zpracování. Vzhledem k tomu, že i přes úpravu není lignin zcela odstraněn, je výtěžnost buničiny vysoká.
Přítomnost ligninu na povrchu a uvnitř vláken zvyšuje jejich tvrdost a tuhost a také jim dává relativně stabilní velikost.
Listy získané z „mechanické“ buničiny mají vysoký objem a nízkou hustotu, to znamená poměrně nízkou hmotnost na jednotku plochy pro danou tloušťku.
To je velmi důležité, protože to ovlivňuje technické a „ekonomické“ ukazatele materiálu.
Vezměte prosím na vědomí:
Naše společnost vyrábí vlnitou lepenku a obaly z ní. Dále prodáváme krabice z vlnité lepenky, mikrovlnitou lepenku a obalové materiály.
Chemická metoda
Pokud se dřevní štěpka před výrobou buničiny zahřeje, výsledný produkt se nazývá TMP – termochemická dřevní buničina (nebo TMP, Termomechanical Pulp).
Pokud se k odstranění ligninu používá chemické ošetření, produkt se nazývá chemicko-termo-mechanická hmota (CTMP).
Dřevovina připravená mechanicky si zachovává původní barvu dřeva, chemicko-termomechanická buničina je o něco světlejší. Pokud byla hmota dodatečně bělena, pak se nazývá bělená chemicko-termomechanická hmota (BCTMP).
Další neméně známou technologií je sulfitové rozvlákňování. V obou případech se necelulózové složky extrahované ze dřeva používají v celulózkách a papírnách jako zdroj energie nebo pro jiné účely.
Celkový objem chemicky vyrobené celulózy závisí na způsobu vaření a také na druhu dřeva. „Výtěžnost“ surovin se může pohybovat od 40 do 65 %. Ta je samozřejmě nižší než u mechanického dřeva, protože při vaření se ze dřeva odstraňují necelulózové látky. Zároveň se nesnižují objemy výroby.
To má však také své výhody – tím se zlepší papírotvorné vlastnosti vláken.
Vezměte prosím na vědomí:
Průměrná délka vlákna při chemických metodách výroby polotovarů ze stejného dřeva je delší než u mechanických metod.
Vlákna se také stávají pružnějšími. To vše zajišťuje odolnější a pružnější plech.
Bělení buničiny
Protože dřevitá buničina po uvaření zhnědne, musí se bělit.
Buničina se obvykle bělí odstraněním zbytkového ligninu a dalších složek dřeva. Čistá celulózová vlákna jsou obvykle bezbarvá a průhledná, zatímco samotná bělená celulóza má krásný bílý odstín.
Vzhledem k tomu, že mnoho potravinářských výrobků – čaj, máslo, čokoláda, tabák – vyžaduje čistou celulózu, bez cizích pachů a nečistot, je to velmi důležitá vlastnost.
V minulosti, před 1980. lety XNUMX. století, se buničina bělila výhradně chlórem nebo jeho sloučeninami. To vyvolalo mnoho kritiky ze strany ochránců životního prostředí, protože molekulární chlor v interakci s ligninem vytvořil toxické sloučeniny obsahující chlor. Často končily v odpadních vodách a otravovaly životní prostředí. V moderních bělicích procesech se molekulární chlor nepoužívá – je nahrazen kyslíkem, peroxidem vodíku a oxidem chloričitým.
Vedlejší produkty takového bělení jsou neškodné.
Bělená celulóza je vysoce odolná vůči světlu. Pod jeho vlivem jen lehce zežloutne.
“Recyklované” vlákno
Jako surovinu pro výrobu celulózových vláken lze použít nejen „čisté dřevo“, ale také „odpadový“ papír – sběrový papír.
Odpad je tříděn a přeměněn na sběrový papír mechanickým zpracováním ve vodě. Za hydrolámačem, kde se rozpouští papírovina, se surovina čistí a posílá do stroje na výrobu lepenky.
V závislosti na povaze suroviny, stupni zpracování a zpracování může mít recyklované vlákno různé vlastnosti.
Vezměte prosím na vědomí:
Je třeba mít na paměti, že kdykoli se papír zpracovává, průměrná délka vlákna a schopnost vytvářet mezivláknové vazby se zmenšují. Některé typy kartonu a papíru navíc nejsou ze své podstaty recyklovatelné. To vše vede k nutnosti uvádět na trh vlákna získaná přímo ze dřeva. V opačném případě se kvalita papírového produktu sníží.
V závislosti na druhu a zdroji sběrového papíru existuje mnoho druhů surovin sběrového papíru. Liší se kvalitou a stupněm recyklovatelnosti.
- nejdražší surovinou je bílý papír, který neobsahuje dřevní hmotu.
- Noviny a časopisy jsou průměrné ceny a kvality.
- nejlevnější je směsný sběrový papír obsahující papír a lepenku.
Celkem například evropský průmyslový seznam popisuje 57 druhů surovin sběrového papíru. Podobné seznamy jsou k dispozici v USA, Japonsku a dalších vyspělých zemích.
Na základě účelu a požadavků na výrobek jsou některé druhy kartonů vyráběny výhradně ze sběrového papíru – nebo je jeho obsah ve výrobcích vysoký. Ostatní produkty jsou vyráběny pouze z kvalitní primární vlákniny – celulózy nebo její směsi s dřevní buničinou.
Ostatní druhy surovin při výrobě lepenky
Obsah vláknitých (celulózových) polotovarů při výrobě papíru a lepenky dosahuje 88 %. Zbývajících 12 % pochází z nevlákninových přísad. To může být:
- minerální pigmenty pro nátěry;
- plniva a klížidla v papírové buničině;
- posilovací přísady;
- povrchová klížidla;
- chemikálie, které usnadňují proces výroby papíru.
Všechny tyto látky slouží ke zlepšení vzhledu materiálů, jejich funkčních vlastností a také ke zvýšení efektivity výroby.
Křídování
Nanášení je nanášení speciální nátěrové suspenze na jednu nebo obě strany papíru (v jedné nebo více vrstvách). Speciální nátěr dodává papíru nebo kartonu potřebné vlastnosti – dobrou absorpci tiskové barvy, bělost, krycí schopnost, hladkost, lesk.
Složení potahové suspenze zahrnuje:
- pigmenty – používají se kaolin, křída, oxid titaničitý aj.;
- pojiva pro polymery, zajišťující spojení pigmentových částic s povrchem papíru nebo mezi sebou navzájem;
- technologické přísady – optické zjasňovače, barviva, síťovadla.
Pro zlepšení absorpce tiskové barvy, zvýšení neprůhlednosti papíru a jeho hladkosti se také používají speciální plniva.
Bílé anorganické materiály přidané do papíroviny „ucpávají“ dutiny ve vláknité struktuře a zvyšují rozptyl světla.
Spolu s minerálními pigmenty používanými k nátěrům tvoří plniva až 9 % surovin používaných v papírenském průmyslu.
Dimenzování
Aby se papíru dodal určitý stupeň hydrofobnosti, používá se v papírové buničině klížení. Výrobek díky němu získává omezené absorpční vlastnosti ve vztahu k inkoustu, vodě a dalším kapalinám.
Vezměte prosím na vědomí:
Typicky se klížení provádí pomocí kalafunového lepidla – obvykle se získává rozpuštěním borovicové pryskyřice v alkálii.
Při přípravě papíroviny se do ní přidává kalafunové lepidlo a síran hlinitý. V důsledku jejich vzájemného působení vzniká hlinitý rezinát, pokrývající povrch vláken.
V poslední době se používá nejen kalafuna, ale i syntetické klížící materiály schopné reakce (například alkylketen dimerová lepidla – AKD nebo alkenanylanhydrid – ASA).
Aby papír získal pevnost za podmínek vysoké vlhkosti, zavádějí se do papíroviny močovinové a melaminformaldehydové pryskyřice. To může být nutné například u přepravních kontejnerů nebo vícevrstvých papírových sáčků, které mohou být vystaveny dešti.
Pro zvýšení pevnosti za sucha se používá škrob.
Mimochodem, škrob lze použít při výrobě papíru a pro povrchové klížení v klížícím lisu. Před zahájením provozu stroje na výrobu papíru nebo lepenky se na jeden nebo oba povrchy listu nanese roztok škrobu. To zvyšuje pevnost listu a zabraňuje „zaprášení“, které ovlivňuje kvalitu tisku.
Ke zlepšení vlastností papíru lze také použít vosk, akrylové pryskyřice a fluorované uhlovodíky.
