WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕЛИГНИФИКАЦИИ ДРЕВЕСИНЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ СДВИГОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ С.З. Роговина*, Е.А. Балашова, Э.В. Прут © Институт химической физики им. Н.Н. Семенова ...»

ХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ. 2007. №4. С. 11–14 .

УДК 676.15 + 677.46.021.2 + 541.12.03

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕЛИГНИФИКАЦИИ ДРЕВЕСИНЫ

ПОД ДЕЙСТВИЕМ СДВИГОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

С.З. Роговина*, Е.А. Балашова, Э.В. Прут

©

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, ул. Косыгина, 4,

Москва, 119991 (Россия) E-mail: evprut@center.chph.ras.ru

Создание высокопроизводительных и экологически безопасных процессов переработки древесины в настоящее время является актуальной проблемой. Для проведения процессов делигнификации древесины предложен способ, принцип действия которого основан на использовании сдвиговых деформаций в сочетании с давлением. Показано, что в таких условиях образующийся из древесины березы волокнистый полуфабрикат высокого выхода, в силу своей специфической структуры, обладает улучшенными физико-механическими характеристиками. Установлено, что в условиях совместного воздействия высокого давления и сдвиговых деформаций глубина процесса делигнификации не зависит от температуры, т.е. процесс является безактивационным .

Работа выполнена при поддержке МНТЦ (проект № 3235) .

Введение Постоянно увеличивающиеся объемы производства бумаги и картона способствуют росту потребления волокнистых полуфабрикатов древесины, представляющих собой продукты неполного удаления лигнина .

Учитывая существующий дефицит хвойных пород, в настоящее время большое внимание уделяется развитию производства древесных полуфабрикатов за счет переработки древесины лиственных пород с целью получения новых видов механической массы различного назначения с улучшенным комплексом физикомеханических свойств .



Современные способы получения волокнистых полуфабрикатов высокого выхода основаны главным образом на использовании свойств лигноуглеводного комплекса древесины размягчаться и переходить в вязкотекучее состояние при температуре выше 100 °С. Процесс получения таких полуфабрикатов включает в себя две независимые стадии: стадию предварительной химико-технологической обработки щепы с целью ослабления межволоконных связей и частичного разрушения связей лигнина с углеводным комплексом, и вторую стадию – размол химически обработанной щепы в дисковых мельницах, в результате которого происходит разделение щепы на волокна .

Необходимо отметить, что если при термогидролитической обработке наблюдается сохранение длины природных волокон и происходит лишь уменьшение содержания мелкой фракции, то использование химических реагентов (сульфита натрия и др.) способствует переводу лигнина в высокоэластичное состояние .

Это происходит благодаря снижению в данных условиях температуры стеклования лигнина, а также ослаблению и частичному разрушению межволоконных связей при сохранении длины волокон и значительном повышении их гибкости и пластичности [1] .

С целью совершенствования производства волокнистых полуфабрикатов из лиственных пород древесины предложен метод, основанный на использовании совместного воздействия на материал давления и сдвиговых деформаций. Физический принцип, лежащий в основе этого метода, заключается в том, что энергия, запасенная в материале, при приложении давления под воздействием сдвиговых деформаций реализуется в образование новой поверхности, причем для этого достаточно создать лишь небольшое сдвиговое усилие [2]. Процесс,

–  –  –

характеризующийся высокой скоростью при малых удельных расходах энергии, проводили в двухшнековом экструдере, в котором реализуется принцип воздействия на материал давления и деформации сдвига .



Экспериментальная часть В качестве исходного сырья для получения волокнистого полуфабриката была выбрана щепа из древесины березы. Перед размолом щепу обрабатывали в течение 30 мин при температуре 90–95 °С раствором гидроксида натрия, взятом в количестве 5–10 весовых % по отношению к абсолютно сухой древесине (а.с. древесине), или смесью растворов гидроксида и сульфита натрия при гидромодуле 5 : 1. Далее обработанную щепу подвергали дефибрированию в двухшнековом экструдере .

Для изучения структуры образцов методом растровой электронной микроскопии образцы волокнистого полуфабриката предварительно высушивали при критической точке, что позволяет исключить искажения, возникающие при высушивании волокон на воздухе [3]. Сушку волокон при критической точке осуществляли на приборе HCP-2 (Hitachi Critical Point Dryer). Исследуемые образцы волокон, подвергнутые предварительной дегидратации в ацетоне, помещали в камеру прибора, где ацетон замещался жидким СО2. Затем температуру и давление в камере постепенно повышали до критического значения (для СО2 Ткр=31 °С, Ркр=7,14 МПа), после чего образец выдерживали в течение 0,5 ч при давлении 9,8 МПа. Далее газ постепенно выпускали из камеры при температуре 45 °С. При достижении атмосферного давления образец охлаждали до 20 °С и вынимали из камеры. Высушенные таким методом волокна оттеняли золотом и просматривали в REM Hitachi S-405A .

Физико-механические характеристики полученных волокнистых полуфабрикатов определяли с помощью разрывной машины «Instron-1122» .

Определение степени делигнификации волокнистых полуфабрикатов проводили измерением содержания остаточного лигнина (лигнина Классона) в анализируемом образце. Для этого навеску (1 г) образца, предварительно обессмоленного смесью спирта с бензолом или серным эфиром, обрабатывали 15 мл 72% Н2SO4 в течение 2,5 ч при температуре 25 °С. Затем смесь лигнина с серной кислотой разбавляли 200 мл дистиллированной воды, кипятили в течение 1 ч и отфильтровывали через фильтр Шота. Лигнин промывали до нейтральной реакции и высушивали до постоянного веса.

Полученное количество лигнина (L) рассчитывали в процентах от абсолютно сухой (а.с.) древесины по формуле:

m L= %, G (100 w) где m вес остатка на фильтре; G навеска обессмоленного воздушно-сухого образца; w влажность обессмоленной древесины, % .

Степень делигнификации, представляющую собой отношение массы лигнина, удаленного при делигнификации, к абсолютно сухой массе исходного лигнина, выраженное в процентах, рассчитывали по формуле:

–  –  –

где Lo содержание лигнина в исходной древесине .

Обсуждение результатов Древесная щепа, проходя через экструдер, подвергалась совместному воздействию давления и сдвиговых деформаций .



Процесс проводили при температуре 50 °С. Выбор температуры обусловлен тем фактом, что процесс дефибрирования необходимо проводить при температурах более низких, чем температура пластификации лигнина, однако выше 20 °С. Известно, что проведение дефибрирования ниже 20 °С вызывает разрушение волокон в поперечном направлении, а при температурах выше 120 °С лигнин переходит в текучее состояние и при последующем охлаждении массы затвердевает, в результате чего на волокнах образуется твердая пленка, снижающая гибкость волокон и ухудшающая физико-механические характеристики образующейся волокнистой массы [4] .

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕЛИГНИФИКАЦИИ ДРЕВЕСИНЫ … 13

Исследование структуры волокон образующейся древесной массы с помощью светового микроскопа позволило установить, что в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций происходит разделение древесины не на пучки, а на отдельные волокна с сохранением их исходной длины. Полученные волокна имеют своеобразную структуру и не похожи на волокна древесной массы, полученной в дисковых мельницах (рафинерах). У исследованных образцов наблюдалось интенсивное наружное фибриллирование поверхности волокон, особенно в случае предварительной обработки древесины смесью гидроксида и сульфита натрия, однако характер фибрилляции, при котором фибриллы напоминали заостренные репейчатовидные образования, сидящие на поверхности волокон, резко отличался от обычно наблюдаемой лентовидной формы .

Полученные волокна были исследованы также методом растровой электронной микроскопии. Как оказалось, в условиях совместного воздействия давления и сдвиговых деформаций происходит образование складчатой структуры, что свидетельствует о размягчении и деформации, протекающей не только по наружной части волокна, но и по всему объему. За счет сдирания наружных слоев обнажаются внутренние слои, которые в щелочной среде набухают, причем это набухание вдоль длины волокна носит неравномерный характер. Исследование волокон методом электронной микроскопии подтвердило репейчатовидный характер наружной поверхности волокон, наблюдавшийся в световом микроскопе. Оказалось, что более сильное сдирание наружных слоев происходит при использовании для предварительной обработки смеси сульфата и гидроксида натрия .

Анализ фракционного состава полученной древесной массы и определение средней длины волокон позволили получить функции распределения по длине волокон для различных образцов. На рисунке 1 приведена среднемассовая функция распределения длины волокон двух образцов волокнистого полуфабриката, полученных из древесины березы в различных условиях. Как видно из приведенных данных, при химической обработке щепы перед размолом только раствором щелочи образуется масса с меньшей длиной волокон (0,86 мм), чем при обработке щепы смесью гироксида и сульфита натрия (0,93 мм). Образование древесной массы с большей средней длиной волокон при обработке щепы смесью гидроксида и сульфита натрия объясняется тем фактом, что в процессе сульфонирования лигнина волокна становятся более гибкими и эластичными и поэтому в меньшей степени подвергаются разрушению при размоле .

Предварительная обработка щепы существенным образом влияет также и на прочностные характеристики образующегося волокнистого полуфабриката. Полученные физико-механические параметры образцов, полученных при различной предварительной обработке, представлены в таблице. Как видно из приведенных в таблице данных, обработка щепы раствором гидроксида натрия образуется масса с выходом 91,5, характеризующаяся низкими показателями прочности. При использовании для термогидролитической обработки смеси гидроксида и сульфита натрия выход массы уменьшается на 6,5%, что связано с углублением протекания процесса делигнификации древесины до 35–40%. Бумагообразующие свойства волокнистой массы при этом значительно улучшаются. Хотя после размола щепы в двухшнековом смесителе масса имела низкую степень помола, тем не менее образовывался довольно плотный лист с хорошими показателями прочности. Особенно высоким оказался показатель сопротивления раздиранию – около 700 мН, что также является подтверждением того, что в процессе размола в двухшнековом экструдере происходит незначительное укорачивание волокон. Как оказалось, при использовании сульфита натрия в количестве, превышающем 5% по отношению к а.с., физикомеханические показатели волокнистого полуфабриката практически не изменяются .

Влияние температуры на процесс делигнификации древесины достаточно хорошо и полно изучено. В работах [5, 6] было показано, что эта зависимость в общем случае описывается общей теорией химической активации Аррениуса, и были вычислены значения энергии активации, равные 32 ккал/моль для щелочной варки и 16–22 ккаль/моль для сульфитной варки. Также было установлено, что при проведении сульфитной варки повышение температуры процесса на 10 °С ускоряет реакцию делигнификации вдвое. Однако оказалось, что температурная зависимость степени делигнификации при проведении процесса под действием сдвиговых демонстраций носит принципиально иной характер. На рисунке 2 представлена зависимость степени делигнификации древесины D от температуры проведения процесса при различных начальных концентрациях гидроксида натрия. Как видно, глубина протекания процесса не зависит от температуры проведения реакции и является постоянной величиной для данной концентрации щелочи, т.е. процесс делигнификации в условиях сдвиговых деформаций протекает без энергии активации .

14 С.З. РОГОВИНА, Е.А. БАЛАШОВА, Э.В. ПРУТ

–  –  –

Рис. 1. Среднемассовая функция распределения Рис. 2. Зависимость степени делигнификации длины волокон образца из древесины березы древесины D от температуры (CNaOH масс.%: 10 (1), (1 термогидролитическая обработка щепы 5 (2), 10 (3), 5+0,1 маc.% антрахинона (4) раствором щелочи; начальная концентрация NaOH 10 масс.% к а.с.д.; 2 – термогидролитическая обработка щепы смесью растворов NaOH и Na2SO3 в соотношении 1 : 1; начальная концентрация реагентов – 10 масс .

% к а.с.д.) Выводы Таким образом, проведенные исследования показали принципиальную возможность использования для производства волокнистого полуфабриката двухшнекового экструдера, принцип действия которого основан на сочетании давления и сдвиговых деформаций. Полученный волокнистый полуфабрикат характеризуется хорошими бумагообразующими свойствами, что, по-видимому, объясняется лучшей внешней и внутренней фибрилляцией волокон. Благодаря своей специфической структуре, волокна обладают улучшенными физико-механическими показателями, близкими к показателям для волокнистых полуфабрикатов из хвойных пород и превосходящих в 2,5–3 раза по механической прочности волокнистые полуфабрикаты из лиственной древесины, полученные на традиционно применяемом оборудовании .

–  –  –






Похожие работы:

«ЮБИЛЕИ И ДАТЫ Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. 2010. – Т. 19, № 3. – С. 187-199. УДК 01+092.2 АНДРЕЙ ЛЬВОВИЧ МАЛЕНЁВ (К 50-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ) © 2010 Г.С. Розенберг; А.Г. Бакиев, О.Л. Носкова, С.В. Саксонов* Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольят...»

«УДК 574 Экологический анализ диатомовых отложений оз. Ханка. Кабаева Валерия Евгеньевна бакалавр 4 курса кафедры туризма и экологии Владивостокский Государственные Университет Экономики и Сервиса (ВГУЭС) Россия. Владивосток В данной статье рассматривается экологический анализ диатомовых водорослей отложений оз. Ханка, с помощью которого мы...»

«Перестройка: двадцать лет спустя (Доклад Горбачев-Фонда) Москва 2005 год gorbachev.indd 401 03.03.2005 17:30:08 ПРОРЫВ К СВОБОДЕ • ПРИЛОЖЕНИЕ Н а протяжении веков российское государство занимало далеко не последнее место на карте мира. И все-таки в XX веке вклад России в мировую историю оказался более значительным, чем когд...»

«ТРЕТЬЯ НАУЧНАЯ ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ ПО РЫБНОМУ ХОЗЯЙСТВУ И ЭКОЛОГИИ 20 апреля 2018 Бионическое моделирование слабоэлектрических рыб Ольшанский В.М., Сюэ Вэй Харбинский инженерный университет Вторая школа по рыбному хозяйству 24 апреля 2015 Пр...»

«О НЕКОТОРЫХ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМАХ ГИДРОХИМИИ И ГИДРОЭКОЛОГИИ В СВЕТЕ РЕАЛИЗАЦИИ ВОДНОЙ СТРАТЕГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НА ПЕРИОД ДО 2020 ГОДА Никаноров А.М. Институт водных проблем РАН, Гидрохимический отдел, г. Ростов-на-Дону ghi8@aaanet.ru В июле 2014 года был принят Федеральный закон, направленный на развитие...»

«ПИСАРЕВА АЗА ВАЛЕРЬЕВНА ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ И МИКРОБИОТЫ В ПОЧВАХ ТЕХНОГЕННО-ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ Специальность 03.02.08 – Экология (биология) Автореферат диссертации на соискание учёной...»

«Электронный архив УГЛТУ ЭКО-ПОТЕНЦИАЛ № 2 (14), 2016 22 БИОЛОГИЯ УДК 582.475:631.523 В.А. Драгавцев Агрофизический институт ФАНО, г. Санкт-Петербург О ВОЗМОЖНОСТИ БЫСТРОЙ ОЦЕНКИ АДАПТИВНОГО ПОЛИМОРФИЗМА В ЕСТЕСТВЕННЫХ ПОПУЛЯЦИЯХ МОНОПОДИАЛЬНЫХ ХВОЙНЫХ ДЕРЕВЬЕВ "Глав...»




 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.