Глава 3 химические и физико-химические анализы технических целлюлоз

3.1. Волокнистые полуфабрикаты целлюлозно-бумажного производства и их анализ

Важнейшими продуктами химической, химико-механической и механической переработки древесины в ЦБП являются тех- ническая целлюлоза и другие волокнистые полуфабрикаты [24]: целлюлоза высокого выхода, полуцеллюлоза и различные виды древесной массы (дефибрерная, рафинерная, термомеханическая и химико-термомеханическая).

Технические целлюлозы можно подразделить как по методам варки (натронные, сульфатные, сульфитные и др.), так и по направлениям их дальнейшей переработки (целлюлозы для бумаги и картона и целлюлозы для химической перера- ботки). Для производства технической целлюлозы с выходом 40...60% применяют щелочные методы варки (натронная варка, натронно-кислородная, натронная с антрахиноном (АХ), сульфатная, полисульфидная), а также сульфитные варки (кислая сульфитная, бисульфитная и ступенчатые варки).

Варку целлюлозы для химической переработки осуществляют кислым сульфитным методом и сульфатным с предгидролизом. Выход целлюлозы изменяется соответственно в пределах 35...42% и 30...35%.

Целлюлозу высокого выхода (ЦВВ) производят с выходом 55...70% как сульфатным, так и сульфитным методами варки. Производство полуцеллюлозы включает много- численные методы: нейтрально-сульфитную, сульфитную, ще- лочно-сульфитную, натронную варки и варку с зеленым щело- ком. Выход полуцеллюлозы колеблется в пределах 65...92%. Следует отметить, что полуфабрикат после варки в произ- водстве полуцеллюлозы и ЦВВ в отличие от технической цел- люлозы требует дополнительной механической обработки (раз- мола в рафинере) для получения волокнистого материала.

Древесную массу с выходом 80...99% производят ме- ханическими методами (обработка на дефибрерах и дисковых рафинерах) главным образом из древесины хвойных пород. Химико-механические и химико-термомеханические методы не- сколько снижают выход волокнистого полуфабриката (65...90%), но позволяют использовать древесину не только хвойных, но и лиственных пород.

Волокнистые полуфабрикаты после варки содержат нецеллюлозные примеси, поглощающие свет (лигнин, смолы, красители и др.) и вследствие этого имеют низкую белизну. Для достижения более высокой белизны небеленые волокнистые материалы подвергаются отбелке по многоступенчатым схемам, которые включают в себя ступени отбелки различными отбе- ливающими реагентами и промежуточные щелочные обработки. При получении целлюлозы для химической переработки, с. целью удаления нецеллюлозных полисахаридов и придания целлю- лозным волокнам определенных физико-химических свойств, в многоступенчатые схемы отбелки вводят стадию щелочного, облагораживания (горячего или холодного).

Волокнистые полуфабрикаты (ВПФ), полученные при разных методах варки и отбелки, характеризуются неодинаковыми химическими и физико-химическими показателями. Эти свойства полуфабрикатов оказывают большое влияние на дальнейший технологический процесс переработки ВПФ и качество полу- чаемых из них продуктов. Поэтому ВПФ в зависимости от их назначения должны отвечать определенным требованиям, которые регламентируются государственными стандартами (ГОСТами), регулярно пересматриваемыми, и техническими условиями.

Наиболее высокие требования предъявляются к целлюлозам для химической переработки (применяемым в производстве

искусственных волокон, пленок и др.). Целлюлоза должна иметь низкое содержание нецеллюлозных примесей (гемицеллюлоз, остаточного лигнина, золы, смол и жиров) и обладать высокими однородностью по молекулярной массе и реакцион- ной способностью.

Древесная масса, полуцеллюлоза и ЦВВ, используемые в производстве бумаги и картона, характеризуются в основном механическими прочностными свойствами и белизной. В отдель- ных случаях в целлюлозах, предназначенных для специаль- ных видов бумаги, нормируются массовая доля альфа-целлю- лозы и вязкость растворов целлюлозы.

В данном разделе учебного пособия основное внимание уделяется аналитическим методам испытаний целлюлозы, предназначенной для химической переработки. При этом при- водятся методы анализа как стандартные, так и специальные физико-химические, применяемые в теоретических научных исследованиях. Однако исчерпывающую оценку качества цел- люлозы для химической переработки дать только с помощью многочисленных химических и физико-химических методов анализа часто не представляется возможным. В связи с этим широко используют предварительную переработку целлюлозы в ее производные (сложные и простые эфиры) в лаборатор- ных условиях и на опытных установках.

Анализы целлюлозы могут быть условно разделены на сле- дующие группы:

определение степени чистоты целлюлозы, характеризуемой содержанием в ней нецеллюлозных примесей (золы, смол и жиров, остаточного лигнина и пентозанов);

установление химического состава целлюлозы (определение карбонильных и карбоксильных групп);

исследование степени деструкции целлюлозы — определение содержания фракций альфа-, бета- и гамма-целлюлозы, раство- римости целлюлозы в растворах гидроксида натрия, медного числа, а также определение средней степени полимеризации целлюлозы и вязкости ее растворов;

определение неоднородности целлюлозы по молекулярной массе;

установление характеристик надмолекулярной структуры целлюлозы с использованием определения степени набухания целлюлозы в растворе гидроксида натрия, а в научных иссле- дованиях — методов ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа и др.

Многие из предлагаемых химических и физико-химических методов являются условными, т. е. получаемые результаты зависят от условий проведения анализа (например, определение

жесткости целлюлозы по перманганатному числу, массовой доли альфа-целлюлозы, медного числа и др.)- Поэтому при выполне- нии анализов необходимо строго соблюдать указанные в ме- тодике параметры (температуру, продолжительность обработки, концентрацию реагентов и др.).