Исследование морфологической структуры, физико-химических и химических характеристик беленой, сульфатной целлюлозы из древесины хвойной породы

Определение породного состава волокна.

При определении породного состава (см. 3.1) было обнаружено, что исследуемый образец относится к хвойной породе.

Определение равномерности отбелки целлюлозы.

Метод (см.3.1.1) основан на микроскопическом исследовании препаратов волокон беленой целлюлозы окрашенных 2% водным раствором малахитового зеленого, подкисленного несколькими каплями концентрированной уксусной кислоты, 1% водным раствором основного фуксина.

В ходе работы волокна целлюлозы окрасились в слабо-розовый цвет, что свидетельствует о равномерной отбелке.

Определение способа варки.

Гистохимические реакции (см. 3.1.2.) позволяют также идентифицировать волокнистые полуфабрикаты, изготовленные из древесины хвойных и лиственных пород различными методами варки (сульфатными или сульфитными). Это обусловлено тем, что в различных процессах варки химический состав волокон в результате частичной их делигнификации, а также некоторого удаление гемицеллюлоз и экстрактивных веществ, изменяется не одинаково. И в зависимости от подобранного реактива, окрашивается тот или другой компонент волокна. Становится возможным различать волокна по внешнему виду.

При анализе было определено, что целлюлоза была получена сульфатным способом варки, так как волокна образца окрасились в сине - сиреневый цвет.

Определение степени набухания.

Степень набухания - это показатель качества целлюлозы, характеризующий способность ее к набуханию, условно определяемый по приращению массы образцов целлюлозы в 17,5% растворе гидроксида натрия в %.

Набухание целлюлозных волокон имеет важное значение для повышения доступности макромолекул целлюлозы. Набухание - увеличение объема под действием растворителя.

Набухание целлюлозы бывает двух типов:

- межкристаллитное (в разбавленных растворах щелочей)

- внутрикристаллитное (в концентрированных с концентрацией выше 0%-12%)

Важную роль при набухании играет концентрация раствора гидроксида натрия. В очень концентрированных растворах степень набухания уменьшается. Концентрация раствора щелочи, при которой происходит максимальное набухание, зависит от характера целлюлозного материала и от температуры обработки.

Проводя методику (см. 3.2.1.) был определен ряд значений, исходя из этого определим степень набухания по формуле. Отношение массы набухшей целлюлозы к ее первоначальной массе дает массовую степень набухания, которая выражается в процентах.

Определение влажности древесины.

Древесина и выделенные из нее компоненты гигроскопочны и в воздушно сухом состоянии содержат определенное количество гигроскопической воды в равновесии с влажностью воздуха. В анализе древесины определяют влажность (относительную влажность) образца в отдельных параллельных пробах и рассчитываю по ней коэффициент сухости, показывающий относительное содержание в пробе древесины абсолютно сухого материала.

Метод высушивания наиболее простой, но при высушивании могут удаляться летучие вещества, что приводит к завышению значения влажности. Сушка может сопровождаться окислением компонентов древесины, в результате чего увеличивается ее масса в следствии присоединения кислорода.

По методике (см. 3.2.2.) определяем необходимые данные и значения коэффициента сухости и влагосодержание находим по формулам:

W=

М1- масса бюкса с навеской до высушивания, г

М2-масса бюкса с навеской после высушивания, г

М-масса пустого бюкса, г

Коэффициент сухости

К_сух=W=

W=26.59-26.47/26.59-24.56*100= 5.91%

К_сух=100-5,91/100=0,94

Отсюда можно сделать вывод, что в пробе массой 3 грамма абсолютно сухого материала 0,94 грамм.

Определение содержания альфа- целлюлозы.

Альфа- целлюлоза представляет собой фракцию высокомолекулярной целлюлозы со степенью полимеризации выше 200. однако она не является индивидуальным химическим соединением. В ее составе содержатся молекулы маннана и ксилана, и некоторая часть остаточного лигнина.

Метод (см.3.2.3.) основан на обработке целлюлозы 17,5% раствором гидроксида натрия и определении не растворившегося остатка после промывки 9,5 % раствором щелочи и высушивания.

По формуле находим значение альфа - целлюлозы по формуле:

X=*100,

д= М*К_сух,

д= 3*0,94=2,82г

Х= 2,47/2,82*100= 87.59%

Определение средней степени полимеризации целлюлозы

Степень полимеризации- это число мономерных звеньев в макромолекуле полимера.

Все методы определения степени полимеризации можно разделить на химические и физико-химические. Наиболее простым методом определения является вискозиметрия. Вискозиметрический метод используется как для качественной характеристики технической целлюлозы (определение динамической вязкости растворов целлюлозы в определенных восстановителях), так и с целью определения средней степени полимеризации целлюлозы. Определяем среднюю СП, так как целлюлоза, подобно другим полимерам, полидисперсна, т.е. состоит из молекул различной длины, поэтому значение СП является средней величиной. В качестве растворителя используется медно-аммиачный реактив. Целлюлоза в медно-аммиачном растворе очень чувствительна к окислению кислородом воздуха и определяемые значения вязкости и СП является заниженным. Для предотвращения деструкции целлюлозы необходимо максимально сокращать время контакта раствора целлюлозы с воздухом и вводить в раствор восстановители.

Среднюю степень полимеризации рассчитываем по формуле:

СП=2000*_y/ С*(1+0,29*_y),

_y=3,2/2,4-1=0,333

СП=2000*0,333/1*(1+0,29*0,333)=600

Следовательно, в исследуемой целлюлозе 600 звеньев в одной макромолекуле.

Определение медного числа целлюлозы

Медное число - это масса меди в граммах, восстанавливаемая из двухвалентного состояния в одновалентное ста грамм абсолютно сухой технической целлюлозы в определенных стандартных условиях. Этот метод используется не только для определения числа альдегидных групп, но и для качественной характеристики длины цепей и ее изменения в результате окислительной и гидралитической деструкции.

Для определения медного числа пользуются щелочным раствором гидроксида меди и сегнетевой соли, с которым нагревают образец целлюлозы. Сегнетова соль не участвует в реакции окисления, она лишь поддерживает гидроксид меди, получаемый в результате взаимодействия сульфата меди со щелочью, в растворе, препятствуя его выпадению в осадок.

При получении технической целлюлозы из растительного сырья в процессах варки и отбелки увеличивается число концевых альдегидных групп и появляются неконцевые альдегидные, а также кетонные и карбоксильные группы. Это обусловлено гидролитической и окислительной деструкцией макромолекул целлюлозы и окислением спиртовых групп.

В технических и окислительных целлюлозах карбоксильные группы, вследствие их высокой катионообменной способности, находятся в виде солей, поэтому необходимым условием для проведения реакций катионного обмена является перевод их в свободную кислотную группу, так называемым обеззоливанием, обработкой целлюлозы разбавленной минеральной кислотой.

В основе определения породного состава лежат характерные для каждой породы, диагностические признаки.

По исследуемому образцу было сделано три пробы, которые показали, что исследуемый образец содержит волокна хвойных пород (сосны и ели):

Волокна очень длинные, целостные, хорошо видны оконцевые и пицеоидные поры, что свидетельствует о качестве провара. Также видны окаймленные поры. Исходя из этого - сделан вывод о породном составе.

При определении равномерности отбелки волокна целлюлозы окрасились в слабо-розовый цвет, что свидетельствует о равномерной отбелке.

При определении способа варки было определено, что целлюлоза была получена сульфатным способом варки, так как волокна образца окрасились в сине - сиреневый цвет.

Степень набухания - это показатель качества целлюлозы, характеризующий способность ее к набуханию, условно определяемый по приращению массы образцов целлюлозы в 17,5% растворе гидроксида натрия в %.

По полученным данным можно сделать вывод, что при воздействии щелочи степень набухания значительно выше, это говорит о том, что щелочь лучше проникает в аморфную часть целлюлозы, действуя при этом и на поверхность кристаллической, тогда, как вода с трудом проникает в аморфную часть.

Влажность - массовая доля воды, выраженная в % к массе влажной древесины. От правильного определения влажности зависит точность всех химических анализов. По ней находим коэффициент сухости, показывающий относительное содержание в пробе древесины абсолютно сухого материала. Абсолютно сухая древесина - древесина высушенная до постоянной массы при температуре 103+2С.

По полученным данным содержание альфа-целлюлозы соответствует техническим целлюлозам, используемым в бумажном производстве, так как массовая доля альфа-целлюлозы до 90%.Таким образом данный образец не пригоден для химической переработки. Также этот показатель используется для оценки степени чистоты целлюлозы, так как гемицеллюлозы и продукты деструкции целлюлозы резко ухудшают качество продуктов химической переработки целлюлозы.

По СП судим о степени деструкции. Чем больше СП, тем меньше целлюлоза деструктирована, и наоборот, чем меньше СП, тем больше целлюлоза деструктирована. По полученным данным средняя СП=600, это говорит о том, что целлюлоза не очень деструктирована.

Медное число целлюлозы дает представление о редуцирующей (восстанавливающей) способности исследуемого образца. Этот метод используют не только для определения числа альдегидных групп, но и для качественной характеристики длины цепей и ее изменения в результате окислительной и гидролитической деструкции.

Карбоксильных групп очень мало. Повышенное содержание карбоксильных групп в целлюлозе способствует увеличению в ней массовой доли золы и зольных элементов, отрицательно сказывается в производстве бумаге. Карбоксильные группы также заметно снижают термостойкость и светостойкость целлюлозы и получаемых из нее волокон.

Исходя из экспериментальных данных, можно сделать вывод, что средняя СП и альфа-целлюлоза примерно соответствуют друг другу. Меньшему медному числу и большей СП соответствует высокоеь(среднее) содержание альфа-целлюлозы. Эти закономерности в результатах анализа не нарушены. Следовательно, лабораторные работы проведены достаточно правильно.

Настоящий стандарт устанавливает требования к белёной сульфатной целлюлозе из хвойной древесины, предназначенной для производства различных видов бумаги и картона, изготовляемой для нужд народного хозяйства и для поставки на экспорт.

Показатели технического уровня, установленные настоящим стандартом, предусмотрены для высшей и первой категории качества.

Сравнивая показатели исследуемого образца целлюлозы с показателями ГОСТированной сульфатной целлюлозы, можно сделать вывод, что данный образец соответствует высшей категории качества (маркам ХБ-0 и ХБ-1).

Таким образом, исследования показали, что по всем параметрам, полученным в результате анализа, и сравнения с требованиями ГОСТа целлюлоза данного образца является ценным продуктом для дальнейшего использования в бумажном производстве.

Факторами, определяющими свойства целлюлозы с точки зренея ее использования в бумажном и картонном производстве, являются природа исходного растительного сырья, выход и степень провара целлюлозы, способ варки, который может сообщать волокну некоторые специфические свойства. Для химической переработки используют исключительно беленую и большей частью облагороженную целлюлозу, имеющую строго определенные физико-химические свойства. Для целлюлозы, предназначенной для переработки на бумагу, особое значение имеют бумагообразующие свойства, т. е. свойства волокна как основы бумажного листа. Бумажная промышленность заинтересована преимущественно в механической прочности волокна целлюлозы, его отношении к размолу, гидратации, расщеплению, образованию слизи, развитию при размоле крепости, в его гибкости, эластичности, непрозрачности, белизне и отсутствии сора. Химическая частота целлюлозы интересует бумажное производство в меньшей степени и главным образом в той мере, в какой от нее зависят бумагообразующие свойства волокна и его долговечность. Для целлюлозы предназначенной для химической переработки, решающую роль играют химическая чистота, отсутствие загрязняющих веществ(например, зола).3

Сравним образец беленой сульфатной целлюлозы из хвойной древесины, предназначенной для производства различных видов бумаги и картона (1), и образец сульфатной предгидролизной кордной холодного облагораживания целлюлозы для химической переработки (2).

Для характеристик свойств целлюлозы существует ряд различных показателей:

Альфа-целлюлоза - фракция технической целлюлозы, не растворяющаяся в 17,5% растворе NaOН. Для беленых целлюлоз значение этого показателя немаловажно, так как он характеризует степень ее освобождения ее от гемицеллюлоз и низкомолекулярных фракций. В целлюлозах, предназначенных для химической переработки, содержание альфа-целлюлозы является основным показателем. Исходя из этого, сравним ГОСТированные значения для исследуемой сульфатной целлюлозы, значение альфа-целлюлозы не менее 88%, тогда как значение для сульфатной предгидролизной составляет 96,6% и как раз этот показатель характеризует назначение каждой.

Механические прочностные свойства. Определяются они на специальной аппаратуре в определенных, постоянных для этого условиях и на определенных образцах в виде листков определенной массы квадратного метра. Из механических свойств целлюлозы чаще всего определяют сопротивление разрыву, изгибу, продавливанию и надрыву. В зависимости от вида сырья, способа получения, характера и режима обработки данные показатели колеблются в широких пределах. Так, по данным ГОСТа для сульфатной беленой целлюлозы для долговечной, высших марок бумаги для печати, значения этих параметров следующие: разрывная длинна- не менее 8700м, излом-число двойных перегибов не менее 2400. Для остальных категорий качества этого же образца эти значения колеблются в интервале, соответственно: от 7200 до 6800; от 2000 до 1400. Для сульфатной предгидролизной целлюлозы, на химическую переработку, данный показатель даже не гостируется.

Вязкость растворов целлюлозы и ее производных также не мало важный показатель, но характеризует он целлюлозу при химической переработке. Между вязкостью и механическими прочностными свойствами для целлюлоз, имеющих значение в бумажном производстве, есть определенная связь. В процессе варки и отбелки вязкость целлюлозы понижается, поэтому для целлюлоз бумажного производства строгих пределов не устанавливается. Это свойство имеет большое значение при производстве сульфатной предгидролизной целлюлозы, для которой ГОСТ устанавливает строгие значения. Так, для рассматриваемой сульфатной предгидролизной целлюлозы значение вязкости по ГОСТу 170 -210 мП.

Сорность целлюлозы определяется подсчетом соринок с обеих сторон смоченного образца целлюлозы при просвечиванием его источником света определенной силы и выражается числом соринок, отнесенных к 1 м² поверхности. Высокая чистота требуется в целлюлозе, предназначенной для химической переработки. Что касается бумажного производства, то в зависимости от вида бумаги требования к сорности изменяются в широких пределах. Для беленой сульфатной целлюлозы для бумажного производства число соринок на 1 м² площадью св. 0,1 до 1,0 мм² включает не более 50 для высшей категории и от 70 до 150 для остальных категорий; площадью 1,0 до 2,0 мм² включает: для высших категорий не допускается, для первой категории колеблется в зависимости от марки от 2 до 15. Для сульфатной предгидролизной целлюлозы для химической переработки; число соринок на 1 м² площадью св. 0,06 до 1,5 мм² включает не более 40 для первого сорта и для второго.

Содержание смолы. Определяется оно экстрагированием целлюлозы различными органическими растворителями, в целлюлозе щелочной варки содержание смолы невелико, благодаря растворяющему действию щелочи. Если целлюлоза для бумажного производства, имеет значение «вредная смолистость», вызывающая отложение смолы на аппаратуре. Но, благодаря щелочной варке, содержание смолы невелико около 0,2- 0,3% и этот показатель ГОСТом не отмечен. Тогда как для целлюлоз химической переработки содержание смолы недопустима и ГОСТ накладывает строгие ограничения.

Зольность. Она вызвана содержанием минеральных веществ в исходном сырье. Зольность не имеет особого значения для целлюлозы, предназначенной для бумажного производства, но она является важным показателем целлюлоз для химической переработки. В этом случае имеет значение и состав смолы в виде солей железа, кремния, кальция. Зольность отмечена только в ГОСТе на сульфатную предгидролизную целлюлозу для химической переработки: массовая доля смолы не более 0,07%; массовая доля золы не более 0,07%; массовая доля железа не более 0,0012% для первого сорта и для второго; массовая для кремния не более 0,0070% (для первого сорта) и 0,0075% (для второго сорта).

Белизна является важным показателем качества. И не зависимо от предназначения, должен быть высоким. Для сульфатной беленой целлюлозы для бумажного производства по ГОСТУ составляет: для высшей категории 88%, для первой от 80 до 86%, а для сульфатной предгидролизной беленой на химическую переработку не менее 87% для первого и для второго сорта.

Выводы

В ходе выполнения выше перечисленных работ и написания курсовой работы мы овладели следующими навыками: приготовление препаратов окрашенных волокон; определение природного состава волокон; определение равномерности отбелки целлюлозы; идентификация целлюлозных волокон, полученных различными методами варки; определение влажности; определение степени набухания; определение содержания альфа-целлюлозы; определение средней СП целлюлозы; определение карбоксильных групп; определение медного числа целлюлозы. Получили необходимые теоретические сведенья о происходящих химических превращениях при варках, отбелке и т.д.

Результаты исследования морфологической структуры позволяет сделать выводы, что данный образец целлюлозы состоит из хвойных пород древесины в частности сосны и ели. Он равномерно отбелен и получен сульфатным методом варки.

Библиографический список

1. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. «Химия древесины и синтетических полимеров»: Учебник для вузо. СПб.: СПбЛТА, 1999.628 с.

2. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы: Учебное пособие для вузов.-М.: «Экология», 1991.-320с.

3. Древесина (химия, ультраструктура, реакции): Пер. с англ./ Д.Фенгел, Г.Вегенер; Предисл. А.А. Леоновича//Под ред. д-ра техн. Наук проф.. А.А. Леоновича - М.: Лесная пром-сть, 1988.- 512 с.

4. Непенин Н.Н. Производство сульфитной целлюлозы. Том 1. Изд. 2-е, перераб. Под ред. д-ра техн. наук Ю.Н. Непенина. М., «Лесная промышленность», 1976. 624 с.

5. Непенин Н.Н. Производство сульфатной целлюлозы. Том 2. Изд. 2-е, перераб.- М., «Лесная промышленность», 1900.- 600 с.

6. ГОСТы: ГОСТ 9571-84; ГОСТ 24299-80.

7. Методики кафедры ХД

8. Щелочные и варочные растворы и варка целлюлозы: Методическое руководство к лабораторному практикуму/ Сост. А.И. Новикова; Под ред. проф.Ю.Г. Бутко; СПб ТИ ЦБП. СпБ., 1992. 48с.

9. Отбелка целлюлозы и определение свойств полуфабрикатов Методическое руководство к лабораторному практикуму/ Сост. А.И. Новикова; Под ред. проф.Ю.Г. Бутко; СПб ТИ ЦБП. СпБ., 1980. 63с.

Размещено на Allbest.ru