COMPARATIVE ANALYSIS OF THE PROPERTIES OF CELLULOSE OBTAINED FROM GRAY ALDER AND WILLOW WOOD
COMPARATIVE ANALYSIS OF THE PROPERTIES OF CELLULOSE OBTAINED FROM GRAY ALDER AND WILLOW WOOD
Abstract
Grey alder and arborescent willow are among the forest-forming species of the Arkhangelsk region. For the rational and comprehensive use of wood of these species, research on the paper-forming properties of cellulose is necessary. The article presents the results of a study of sulphate cooking of hand-made chips obtained from grey alder and arborescent willow.
The purpose of the work is a comparative characteristic of the paper-forming properties of cellulose obtained from deciduous wood such as grey alder and arborescent willow. In laboratory conditions, industrial modeling of sulphate cooking on industrial white liquor of grey alder and arborescent willow chips prepared manually from the provided samples was carried out. After conducting physical and mechanical tests on castings from cellulose of the provided wood samples, the results were obtained, analyzed and correlated with similar indicators of cellulose from a mixture of birch and aspen. It was found that paper made from grey alder of 2021, grey alder of 2023 and willow of 2021 samples has slightly lower, but similar in terms of indicator values, physical and mechanical properties to paper made from a mixture of birch and aspen cellulose. The conclusion about the prospects of hardwoods as raw materials for certain types of paper in the pulp and paper industry is substantiated.
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.