СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, ПОЛУЧЕННОЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ОЛЬХИ СЕРОЙ И ИВЫ ДРЕВОВИДНОЙ
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, ПОЛУЧЕННОЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ОЛЬХИ СЕРОЙ И ИВЫ ДРЕВОВИДНОЙ
Аннотация
Ольха серая и ива древовидная входят в число лесообразующих пород Архангельской области. Для рационального и комплексного использования древесины данных пород необходимы исследования о бумагообразующих свойствах целлюлозы. В статье приведены результаты изучения сульфатной варки щепы ручного изготовления, полученной из ольхи серой и ивы древовидной.
Цель работы – сравнительная характеристика бумагообразующих свойств целлюлозы, полученной из древесины лиственных пород, таких как ольха серая и ива древовидная. В лабораторных условиях проведено промышленное моделирование сульфатной варки на производственном белом щелоке щепы ольхи серой и ивы древовидной, подготовленной вручную из предоставленных образцов. Проведя физико-механические испытания на отливках из целлюлозы предоставленных образцов древесины, были получены результаты, проанализированы и соотнесены с аналогичными показателями целлюлозы из смеси берёзы и осины. Установлено, что бумага из ольхи серой образцов 2021 года, ольхи серой 2023 и ивы древовидной 2021 года обладает несколько более низкими, но близкими по значениям показателей физико-механическими свойствами к бумаге из смеси целлюлозы берёзы и осины. Обоснован вывод о перспективности лиственных пород в качестве сырья для отдельных видов бумаги в целлюлозно-бумажной промышленности.
1. Введение
В настоящее время запасы древесины хвойных пород имеют тенденцию к сокращению в связи с широкой областью применения. Особый интерес вызывает древесина мягколиственных пород, которая значительно дешевле хвойных и имеет сравнительно узкую область применения в химической переработке древесины.
Древесина лиственных пород может быть альтернативой дорогостоящей и дефицитной хвойной. Она более чем на 30% дешевле хвойной и широко произрастает, при этом сравнительно мало используется в деревообработке и других отраслях промышленного производства. К таким лиственным породам относятся ольха серая, ива древовидная и др.
Ольха серая и ива древовидная – мелколиственные быстрорастущие породы, способные к регенерации из пней и корневищ, хорошо адаптированные к различным условиям произрастания, незасухоустойчивые. На территории Архангельской области произрастают, как правило, вдоль водных объектов и на территории бывших сельскохозяйственных земель. В Архангельской области ольха серая произрастает на площади 46,6 тыс. га, а ива древовидная – 5,3 тыс. га
.В литературе представлена крайне ограниченная информация об использовании древесины ольхи серой для производства целлюлозных материалов. Согласно данным, ольха серая вместе с другими породами оказалась пригодной для получения сульфатной целлюлозы и полуцеллюлозы – при выработке различных видов бумаги и картона. Американские исследователи считают ольху наиболее приемлемой из лиственных пород при производстве целлюлозы. Благодаря быстрому росту в молодом возрасте её плантации имеют короткие обороты рубок. В Западной Грузии исследователи установили возможность применения ольхи, в том числе тонкомерной, как сырья при различных вариантах сульфитного способа варки. Авторы отмечают высокие механические показатели опытных видов бумаги
.Исследования, проведённые в ряде европейских стран, показали целесообразность использования древесины ивы древовидной в качестве сырья для целлюлозно-бумажной промышленности. В этом отношении древесина ив не уступает древесине тополей. Основными показателями для сравнения в этом случае служат содержание в древесине целлюлозы и длина древесных волокон. У древовидных ив, как и тополей, длина древесного волокна колеблется в пределах от 0,7 до 1,6 мм, толщина – от 0,020 до 0,044 мм. Такая малая толщина древесных волокон – положительный фактор при переработке древесины. Волокна тополя и ивы при этом отличаются той же пластичностью, что и у хвойных пород, чего нельзя сказать о других лиственных породах, например о буке, который широко используется целлюлозно-бумажной промышленностью западных стран
.Исследовательские работы проводились в инновационном технологическом центре «Современные технологии переработки биоресурсов» САФУ имени М.В. Ломоносова.
2. Методы и принципы исследования
Для проведения исследований брали образцы из ствола деревьев ольхи серой (Alnus incana) и ивы древовидной (Salix), собранные в Архангельской области.
Состав щелоков для проведения варки анализировали согласно общепринятым методикам
. Определение Числа Каппа в исследуемых образцах целлюлозы проводилось в соответствии с ГОСТ 10070–74 , влажности – по ГОСТ 16932–93 , содержания золы в целлюлозе – по ГОСТ 18461−93 , содержания экстрактивных веществ – по ГОСТ 6841−77 .В лабораторных условиях проведено промышленное моделирование сульфатной варки на производственном белом щелоке щепы ольхи серой и ивы, подготовленной вручную из предоставленных образцов.
Варки целлюлозы проводились на автоматической варочной установке CRS 420, имеющей 8 вращающихся автоклавов вместимостью 1200 мл (рисунок 1, рисунок 2). Установка оснащена системой контроля и регулирования температуры с точностью ± 1ºС, системой регулирования давления с точностью ± 0,3 МПа и системой расчета Н-фактора. Имеет общий датчик температуры и внутренние термодатчики у автоклавов. Предусмотрено представление данных на дисплее и возможность получения графических данных. По окончании варки производится быстрое охлаждение автоклавов водопроводной водой.
Рисунок 1 - Схема устройства варочной установки
Рисунок 2 - Фото устройства варочной установки
Таблица 1 - Режим варки целлюлозы для производства целлюлозы для отбелки
Параметры | Режим варки |
Продолжительность пропитки при 115 °С, мин | 60 |
Верхняя варочная зона 154 °С, мин | 60 |
Нижняя варочная зона 160 °С, мин | 90 |
Гидромодуль варки | 3 |
Расход щелочи, ед. Na2O | 21,0 |
Для измерения и анализа структурно-морфологических характеристик волокон, полученных образцов целлюлозы использовали анализатор свойств волокна системы Fiber Tester, разработанный компанией Lorentzen & Wettre и позволяющий оперативно проводить оценку характеристик отдельных волокон, формирование массивов данных и их обработку. Прибор состоит из устройства для анализа, совмещенного с персональным компьютером, программное обеспечение которого автоматически управляет тестированием образца, обрабатывает данные и генерирует отчет по показаниям.
Анализатор волокна Fiber Tester позволяет получить значения следующих основных структурно-морфологических характеристик:
– средняя длина волокон в образце, мм;
– средняя ширина волокон в образце, мкм;
– средний фактор формы волокон в образце – частное от деления проекции длины на фактическую длину;
– доля волокон в классах длины (в мм), %;
– доля мелочи (по длине) в образце – относительное количество волокон короче 0,2 мм относительно числа волокон длиннее 0,2 мм, %;
– грубость, то есть масса волокна на единицу длины, мкг/100 м;
– средний угол излома, о (рисунок 4);
– среднее число изломов на 1 мм длины волокна, шт;
– среднее число изломов на волокно, шт;
– средняя длина сегмента, мм (рисунок 4).
Для определения стандартных показателей механической прочности в лабораторных условиях изготовлялись образцы массой 75 г/м2. Размол образцов целлюлозы проводился в центробежном размалывающем аппарате (ЦРА) Jokro Mill. Изготовление лабораторных образцов производилось на листоотливном аппарате системы «Rapid-Köthen» согласно ГОСТ 14363.4−89
, процесс размола контролировали путем определения степени помола массы. Показатели качества лабораторных образцов определяли по стандартным методам: толщину образца по ГОСТ 27015−86 на приборе ТМБ-5-А с цифровым блоком регистрации; прочность на разрыв и удлинение при растяжении по ГОСТ 13525.1−79 на приборе Тест-система 105; сопротивление продавливанию по ГОСТ 13525.8−86 на приборе Lorentzen&Wettre Bursting. Все образцы перед испытаниями были кондиционированы согласно ГОСТ 13523–78 .3. Основные результаты
Предоставленные образцы ольхи серой и ивы были вручную окорены и порублены на щепки (рисунок 3). Полученная щепа высушивалась в лаборатории до воздушно-сухого состояния. После этого проводилась сульфатная варка образцов.
При выполнении данной работы была отобрана щепа из свежесрубленной древесины ольхи серой (2023 г.) и ивы древовидной (2024 г.). Помимо этого были отобраны образцы щепы из данных пород, заготовленных в 2021 году, для сравнения качества образцов целлюлозы из свежезаготовленной древесины с лежалой древесиной.
Рисунок 3 - Щепа ручной рубки образцов
Таблица 2 - Результаты варки щепы ручного изготовления, полученной из ольхи серой и ивы
Проба | Выход, % | Число Каппа, ед. | Экстрактивные вещества, % | Минеральные вещества, % | Вязкость целлюлозы, мг/мл |
Ольха серая образец 2023 г. | 46,36 | 27,4 | 0,72 | 4,27 | 880 |
Ольха серая образец 2021 г. | 50,48 | 26,3 | 0,50 | 4,02 | 850 |
Ива образец 2024 г. | 49,48 | 11,8 | 0,89 | 0,87 | 1079 |
Ива образец 2021 г. | 63,15 | 17,7 | 0,52 | 1,40 | 800 |
Смесь осины и берёзы | 53,20 | 18,81 | 0,40 | 1,96 | 1080 |
Образец свежей ольхи 2023 года имеет более низкий выход и более высокие показатели по числу Каппа и содержанию экстрактивных веществ, чем образец ольхи 2021 года. Меньший выход целлюлозы свежей ольхи обосновывается тем, что в ней содержится большее количество не целлюлозных компонентов, которые во время варки перешли в раствор черного щелока, чем в ольхе 2021 года. Образец ивы 2024 года при прочих равных условиях имеет наилучшие показатели среди всех образцов.
Основные показатели механической прочности лабораторных образцов из небеленой сульфатной целлюлозы, полученной в соответствии с промышленным режимом производства целлюлозы для отбелки из щепы ручного изготовления (масса 1 м2 75 г, степень помола массы – 30 ШР) представлены в таблице 4.
Таблица 3 - Сравнение показателей целлюлозы из древесины ольхи серой и ивы
Показатель | Ольха серая образец 2023 г. | Ольха серая образец 2021 г. | Ива образец 2024 г. | Ива образец 2021 г. | Смесь осины и берёзы |
Плотность, г/см3 | 0,762 | 0,756 | 0,746 | 0,751 | 0,784 |
Толщина, мкм | 90,0 | 91,2 | 101,0 | 93,4 | 89,8 |
Разрывная длина, м | 7250 | 7500 | 4688 | 8320 | 8050 |
Жесткость при растяжении, кН/м | 350 | 470 | 352 | 480 | 545 |
Тea, Дж/м2 | 260,21 | 64,66 | 53,35 | 99,35 | 84,36 |
Напряжение деформации, МПа | 69,06 | 56,59 | 34,97 | 62,50 | 69,14 |
Деформация, % | 2,44 | 1,97 | 2,25 | 2,60 | 2,25 |
Сопротивление продавливанию, кПа | 310 | 275 | 378 | 350 | 385 |
Сопротивление излому, ч. дв. п. | 450 | 320 | 412 | 540 | 760 |
Кроме физико-механических испытаний, были измерены структурно-размерные показатели волокна образцов с помощью прибора Fiber Tester (таблица 4). Фракционный состав по волокну сохраняется даже после размола до 30 °ШР. Количество мелкого волокна несколько выше у ольхи 2023 года, в то время как между ольхой 2021 и ивой 2021 года не наблюдается значительной разницы (рисунок 4).
Таблица 4 - Фракционный состав и результаты анализа волокон на приборе Файбер-тестер после варки и после размола в мельнице ЦРА
Образец | Средняя длина, мм | Средняя ширина, мкм | Средний фактор формы, % | Грубость | Средний угол излома | Число изломов на мм | Число больших изломов на мм | Число изломов на волокно | Число больших изломов на волокно | Средний индекс излома | Средняя длина сегмента | Доля мелочи % |
После варки | ||||||||||||
Ольха серая 2021 г. | 0,760 | 23,1 | 90,5 | 94 | 45,833 | 0,519 | 0,115 | 0,362 | 0,080 | 1,231 | 0,624 | 2,1 |
Ольха серая 2023 г. | 0,682 | 21,6 | 88,7 | 73 | 47,300 | 0,669 | 0,164 | 0,427 | 0,105 | 1,602 | 0,544 | 2,9 |
Ива 2021 г. | 0,810 | 19,8 | 92,5 | 92 | 50,067 | 0,330 | 0,080 | 0,246 | 0,059 | 0,821 | 0,702 | 2,8 |
Ива 2024 г. | 0,577 | 19,6 | 90,2 | 71 | 45,867 | 0,520 | 0,122 | 0,293 | 0,069 | 1,213 | 0,502 | 2,0 |
После размола до 30 °ШР | ||||||||||||
Ольха серая 2021 г. | 0,761 | 20,6 | 92,2 | 79 | 49,633 | 0,331 | 0,083 | 0,233 | 0,058 | 0,82 | 0,669 | 2,7 |
Ольха серая 2023 г. | 0,674 | 19,0 | 91,2 | 57 | 47,900 | 0,474 | 0,114 | 0,303 | 0,072 | 1,146 | 0,577 | 3,1 |
Ива 2021 г. | 0,778 | 20,2 | 90,6 | 88 | 46,667 | 0,565 | 0,130 | 0,406 | 0,093 | 1,354 | 0,626 | 2,1 |
Ива 2024 г. | 0,572 | 18,1 | 91,4 | 52 | 43,5 | 0,533 | 0,100 | 0,297 | 0,056 | 1,218 | 0,488 | 3,2 |
Рисунок 4 - Фракционный состав после варки по волокну целлюлозы, полученной из щепы ручного изготовления из ольховой и ивовой древесины
Рисунок 5 - Фракционный состав после разлома по волокну целлюлозы, полученной из щепы ручного изготовления из ольховой и ивовой древесины
Рисунок 6 - Результаты микроскопического анализа целлюлозы (Ольха серая, 2021 г.)
Рисунок 7 - Результаты микроскопического анализа целлюлозы (Ольха серая, 2023 г.)
Рисунок 8 - Результаты микроскопического анализа целлюлозы (Ива, 2021 г.)
Рисунок 9 - Результаты микроскопического анализа целлюлозы (Ива, 2024 г.)
4. Заключение
Сравнение показателей свежезаготовленной древесины с лежалой древесиной ольхи серой и ивы древовидной установило, что за время хранения в древесном сырье происходят изменения в его химическом составе. Так как качества древесины и древесной щепы являются одними из факторов сульфатной варки, то это непосредственно оказывает влияние на показатели целлюлозы после варки. Меньший выход целлюлозы свежей ольхи серой и ивы древовидной обосновывается тем, что в них содержится большее количество не целлюлозных компонентов, которые во время варки перешли в раствор чёрного щелока, чем в ольхе и иве 2021 года. В связи с этим целлюлоза из ольхи серой образца 2021 года имеет больший выход, меньшее значение числа Каппа и содержание экстрактивных веществ по сравнению с целлюлозой из ольхи серой образца 2023 года. Образец ивы 2021 года при прочих равных условиях имеет наилучшие показатели среди всех образцов.
Проведя физико-механические испытания на отливках из целлюлозы предоставленных образцов древесины, были получены результаты, проанализированы и соотнесены с аналогичными показателями целлюлозы из смеси берёзы и осины. Выявлено, что бумага из ольхи серой образцов 2021 года, ольхи серой 2023 и ивы древовидной 2021 и 2024 года обладает несколько более низкими, но близкими по значениям показателей физико-механических свойств к бумаге из смеси целлюлозы берёзы и осины. Не наблюдается значительной разницы в количестве мелкого волокна между ольхой 2021 и ивой 2021 года. На графиках фракционного состава целлюлозы отчётливо видно, что исследуемые образцы целлюлозы в основном состоят из коротких волокон 0,5…0,8 мм.
Уровень показателей механической прочности, полученных образцов ольховой и ивовой целлюлозы, соответствует уровню показателей целлюлозы из смеси берёзовой и осиновой древесины, что свидетельствует о возможности использования исследуемого сырья – порубочные остатки, ветви, древесина ольхи серой и ивы древовидной – для малотоннажного производства бумаг различного назначения.