 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Особенности свойств хлопковой целлюлозы
В волокнах семян хлопчатника целлюлоза содержится в наиболее чистом виде. Поэтому характер изменений химического состава и физико-химических свойств целлюлозы в процессе ее синтеза в природе наиболее детально изучен на примере формирования целлюлозы в однолетних растениях, особенно в хлопковом волокне.
В процессе роста хлопкового волокна содержание в волокне целлюлозы непрерывно повышается, а содержание других компонентов – жиров, восков, золы и, особенно, водорастворимых веществ – понижается.
Установлено наличие в хлопковом волокне значительных количеств пектиновых веществ в начальной стадии роста и постепенное убывание их в дальнейшие периоды роста.
Параллельно увеличению содержания целлюлозы в волокне изменяются механические и физико-химические свойства волокна: уменьшается растворимость в щелочи и повышается прочность [4].
На рисунке 1.1 изображены микрофотографии волокна сульфатной целлюлозы и витых волокон хлопковой целлюлозы средней длины.
а
б
а – волокна сульфатной целлюлозы;
б – витых волокон хлопковой целлюлозы средней длины.
Рисунок 1.1 – Микрофотографии волокна сульфатной целлюлозы и витых волокон хлопковой целлюлозы средней длины.
Как видно из микрофотографии, волокна из беленой сульфатной целлюлозы являются прямыми и плоскими, в то время как волокна хлопковой целлюлозы имеют вид скрученных лент (рисунки 1 и 2). Анализ химического состава показал, что беленая сульфатная целлюлоза содержит 91,8% α-целлюлозы и около 14% гемицеллюлоз. В отличие от целлюлозы, хлопковая целлюлоза почти не содержит гемицеллюлоз, а количество α-целлюлозы в ней достигает 98,5% (таблица 1) [1].
Таблица 1.1 – Химический состав волокон целлюлозы
| Характеристики | Сульфатная целлюлоза | Хлопковая целлюлоза |
| α-целлюлоза,% | 91,8 | 98,5 |
| Гемицеллюлозы,% | 14,3 | <1 |
| Растворимость в 10% NaOH,% | 10,3 | 2,5 |
| Зольность,% | 0,5 | 0,2 |
Повышенное содержание α-целлюлозы, незначительное содержание лигнина и высокая степень белизны означает, что эти целлюлозные материалы пригодны как для изготовления бумаги, так и для производства химически модифицированных целлюлоз.
Значения поперечного размера (L) и длины (I) кристаллитов, степени кристалличности (X) и доли аморфных областей (Y) в целлюлозных образцах показаны в таблице 2.
Таблица 1.2 – Характеристики кристаллической структуры целлюлозных образцов
| Образец | Х | У | L,нм | I,нм |
| Древесная целлюлоза | 0,63 | 0,37 | 6,7 | |
| Хлопковая целлюлоза | 0,70 | 0,30 | 7,5 |
Как видно из таблицы 1.2 хлопковая целлюлоза имеет более упорядоченную кристаллическую структуру, чем беленая сульфатная целлюлоза.
Следовательно беленая крафт-целлюлоза характеризуется повышенным содержанием α-целлюлозы, близкой к 92%. Наличие гемицеллюлоз в образце целлюлозы может способствовать фибрилляции и формированию сильного контакта между волокнами в процессе изготовления бумаги. Хлопковая целлюлоза имеет очень высокую степень чистоты: содержание α-целлюлозы, 98,5% и почти нулевое содержанием гемицеллюлоз. Повышенное содержание α-целлюлозы и высокой яркости делают эти целлюлозные материалы полезными для изготовления бумаги и производства модифицированных целлюлоз, таких как микрокристаллическая целлюлоза, мерсеризованная целлюлоза и т.п. [1].
В таблице 1.3 представлена техническая характеристика хлопковой целлюлозы (из хлопкового волокна и хлопкового линта) в сравнении с отбеленной лиственной и хвойной целлюлозы [7].
Таблица 1.3 – Техническая характеристика хлопковой целлюлозы
| Значение показателей для: | |||
| Наименование показателей | Белёной лиственной целлюлозы | Белёной хвойной целлюлозы | Белёной хлопковой целлюлозы |
| Содержание целлюлозы,% | 80 – 90 | 85 – 90 | больше 93 |
| Степень полимеризации | 500 – 900 | 600 – 1100 | 300 – 1500 |
| Степень полимеризации целлюлозы в кристаллической части | приблизительно 100 – 200 | приблизительно 300 | |
| Степень кристалличности,% | приблизительно 0,60 | приблизительно 0,70 | |
| Содержание гемицеллюлоз, % | 10 – 15 | 15 – 25 | практически отсутствуют |
| Содержание остаточного лигнина, ед.Каппа | меньше 1 | меньше 1 | отсутствует |
| Содержание экстрактивных веществ, % | меньше 0,1 | меньше 0,1 | меньше 0,1 |
| Зольность, % | 0,2 – 0,3 | 0,1 – 0,2 | меньше 0,1 |
Из таблицы 1.3 можно сделать следующие выводы:
– хлопковая целлюлоза практически не содержит гемицеллюлоз и не содержит карбоксильных групп (низкое содержание карбоксильных групп обеспечивает прочность в более длительное время);
– благодаря тому, что хлопковая целлюлоза содержит большую степень кристалличности, степень полимеризации в кристаллических областях, то она меньше подвержена в процессе старения по сравнению с древесными видами целлюлозы. Таким образом, бумага, полученная из хлопковой целлюлозы будет иметь различные прочностные свойства;
– практическое отсутствие лигнина и экстрактивных веществ является преимуществом хлопковой целлюлозы. В то же время в сравнении с древесными белеными целлюлозами, а так же целлюлоз с достаточно высокими щелочным резервом влияние на свойство бумаги незначительное;
– начальная степень полимеризации хлопковой целлюлозы в значительной степени зависит от сырьевого источника и способа её производства. Предпочтение должно быть отдано целлюлозе с высокой начальной степенью полимеризации [7].
Химический состав хлопковых волокон (в сухом виде) разных сортов представлен в таблице 1.4 [6].
Таблица 1.4 – Химический состав хлопковых волокон (в сухом виде)
| Компоненты | Сорт «Pima» | Сорт «Acala» | Гибридный сорт |
| Целлюлоза, % | 96,4 | 94,3 | 94,5 |
| Пектин, % | 0,8 | 2,2 | 1,6 |
| Протеин, % | 1,2 | 1,4 | 1,5 |
| Экстракты, % | 0,5 | 0,6 | 0,7 |
| Зольность вещества, % | 1,1 | 1,5 | 1,7 |
| Лигнин |
Как видно из таблицы 1.4 у волокон сорта «Pima» наиболее упорядоченная надмолекулярная структура.
Структурные характеристики хлопковых волокон приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5 – Структурные характеристики хлопковых волокон
| Характеристики | Сорт «Pima» | Сорт «Acala» | Гибридный сорт |
| X,% | |||
| H,нм | |||
| L,нм | |||
| a,нм | 0,788 | 0,790 | 0,789 |
| b,нм | 0,818 | 0,819 | 0,818 |
| c,нм | 1,034 | 1,034 | 1,034 |
| y° | 96,2 | 96,1 | 96,1 |
| Pcr, г/см³ | 1,624 | 1,618 | 1,622 |
| Po, г/cм³ | 1,57 | 1,56 | 1,57 |
| Kor | 0,96 | 0,88 | 0,94 |
Как видно из таблицы 1.5 хлопковое волокно имеет высокую степень кристалличности – 66 – 68%.
У целлюлоз, изолированных от хлопковых волокон после обработки содой, высокое содержание целлюлозы (98,5 – 99,2%) и лучше упорядочена кристаллическая структура [6].
Химический состав хлопковой целлюлозы (в сухом состоянии), полученной из различных сортов хлопка приведен в таблице 1.6.
Таблица 1.6 – Химический состав хлопковой целлюлозы
| Компоненты | Сорт «Pima» | Сорт «Acala» | Гибридный сорт |
| α – целлюлоза, % | 99,2 | 98,5 | |
| β – целлюлоза, % | 0,6 | 1,2 | 0,8 |
| Ash, % | 0,1 | 0,2 | 0,2 |
Параметры кристаллической структуры хлопковой целлюлозы, полученной из разных сортов хлопка, приведены в таблице 1.7.
Таблица 1.7 – Параметры кристаллической структуры хлопковой целлюлозы
| Характеристики | Сорт «Pima» | Сорт «Acala» | Гибридный сорт |
| X,% | |||
| H,нм | |||
| L,нм | |||
| a,нм | 0,785 | 0,788 | 0,787 |
| b,нм | 0,818 | 0,818 | 0,818 |
| c,нм | 1,034 | 1,034 | 1,034 |
| y° | 96,3 | 96,2 | 96,2 |
| Pcr, г/см³ | 1,631 | 1,625 | 1,627 |
Как видно из таблицы 1.7 хлопковая целлюлоза имеет высокую степень кристалличности – 70 – 72% ввиду того, что степень кристалличности в самих волокнах достаточно высока (таблица 1.5) [6].
Для производства целлюлозной массы, поставляемой в листовом виде, необходимо сокращение длины волокна. Хлопковое волокно очевидно слишком длинное для формирования бумаги на бумагоделательной машине. Сокращение длины волокна достигается сухими и мокрыми методами. Линт также требует сокращения длины волокна в процессе изготовления целлюлозной массы. В таблице 1.8 показаны данные анализа фракционного состава на классификаторе Кларка для 11 видов товарной хлопковой целлюлозы [3].
Таблица 1.8 – Фракционный состав хлопковой целлюлозы
| Целлюлоза из различных видов хлопокового сырья | Фракционный состав целлюлозы, % | ||||
| 8 меш | 14 меш | 30 меш | 100 меш | < 100 меш | |
| Целлюлоза из хлопкового волокна | |||||
| ХВ-1 | 24,8 | 45,9 | 65,7 | 89,5 | 10,5 |
| ХВ-2 | 3,56 | 21,5 | 45,8 | 79,8 | 20,2 |
| ХВ-3 | 20,9 | 39,6 | 60,8 | 87,2 | 12,8 |
| Целлюлоза из линта первого съема | |||||
| Л1-1 | 23,6 | 40,3 | 61,3 | 86,3 | 13,7 |
| Л1-2 | 25,0 | 42,8 | 64,9 | 90,7 | 9,3 |
| Целлюлоза из линта второго съема | |||||
| Л2-1 | 4,1 | 21,1 | 48,9 | 85,5 | 14,5 |
| Л2-2 | 0,3 | 1,9 | 27,5 | 80,5 | 19,5 |
| Л2-3 | 6,9 | 23,0 | 51,8 | 88,5 | 11,5 |
| Л2-4 | 1,0 | 5,7 | 33,0 | 83,8 | 16,2 |
| Л2-5 | 1,4 | 12,9 | 41,6 | 87,0 | 13,0 |
| Л2-6 | 0,4 | 1,2 | 16,4 | 75,6 | 24,4 |
* ХВ – хлопковое волокно; Л1 – линт первого съема; Л2 – линт второго съема.
Из таблицы 1.8 видно, что целлюлоза из хлопкового волокна и из линта первого съема имеет высокое содержание длинных волокон, а целлюлоза из линта второго съема – высокое содержание мелкой фракции. Известно, что длина волокна влияет на многие бумагообразующие свойства.
Поэтому эти свойства, а также свойства бумаги, в значительной степени зависят от источника происхождения хлопковой целлюлозы.
Поиск по сайту: