Что такое целлюлоза в технологии

Целлюлоза: что такое, формула, получение, химические свойства

Содержание:

Целлюлоза, или клетчатка – это полисахарид, содержащийся в клеточных стенках растений. Ею богаты волокна хлопка, льна, конопли и др. Её содержание в растениях может достигать 95 % от общей массы. Например, древесина на 50 % состоит из клетчатки.

Строение целлюлозы

Молекулярная формула целлюлозы идентична формуле крахмала: (С₆Н₁₀О₅)n, где n – степень полимеризации. Степень полимеризации у целлюлозы больше по сравнению с крахмалом. Макромолекула целлюлозы состоит из множества мономеров – остатков молекул β-глюкозы, а макромолекула крахмала – из α-глюкозы. Крахмал и целлюлоза – циклические соединения.

Структурные формулы целлюлозы и крахмала выглядят следующим образом:

Получение целлюлозы Клетчатку, как правило, синтезируют из древесины. В России популярен сульфитный метод синтеза целлюлозы.

В смеси технической целлюлозы, которая формируется после варки, также находятся лигнин и гемицеллюлоза. Если необходимо получить искусственные волокна, то целлюлозу облагораживают, т.е. обрабатывают щелочью для устранения гемицеллюлоз.

Чтобы удалить лигнин и придать целлюлозе белоснежный цвет, нужно провести отбелку. Например, хлорная отбелка состоит из двух стадий обработки:

Физические свойства целлюлозы

Целлюлоза не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях. Единственное вещество, в котором растворяется клетчатка – аммиачный раствор гидроксида меди (II).

Химические свойства целлюлозы

В результате образуется глюкоза.

Реакция целлюлозы и азотной кислоты протекает при участии концентрированной серной кислоты. В результате формируются сложные эфиры.

Также целлюлоза реагирует с уксусным ангидридом при участии уксусной и серной кислот.

Целлюлоза в биологии

Целлюлоза в организме выполняет ряд функций:

Если в пище содержится клетчатка, то у человека быстрее наступает чувство сытости. Целлюлоза улучшает перистальтику кишечника.

Применение целлюлозы

Например, ацетатный шелк, негорючую пленку и органическое стекло производят из ацетилцеллюлозы. При производстве шелка ацетилцеллюлозу помещают в дихлорметан и этанол. Получившуюся смесь пропускают через колпачки с большим количеством отверстий. Порции раствора прогревают через нагретый воздух. Растворитель растворяется и триацетилцеллюлоза образует тонкие нити.

Динитроцеллюлозу применяют при производстве коллодия. Для получения коллодия динитроцеллюлозу растворяют в спирте и эфире. После испарения растворителей образуется толстая пленка – коллодий, который применяется в медицине. Динитроцеллюлоза также идет на производство целлулоида, который синтезируют путем ее сплавления с камфорой.

Источник

Целлюлоза, свойства, получение и применение

Целлюлоза, свойства, получение и применение.

Целлюлоза – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C₆H₁₀O₅)n.

Целлюлоза, формула, строение, вещество, характеристика:

Целлюлоза, клетчатка (фр. cellulose от лат. cellula – «клетка») – природное высокомолекулярное органическое соединение, углевод, полисахарид с формулой (C₆H₁₀O₅)n.

Молекулы целлюлозы представляют собой неразветвлённые цепочки из остатков β-D-глюкозы, соединённых гликозидными (водородными) связями β-(1→4).

Строение молекулы целлюлозы, структурная формула целлюлозы:

Молекула целлюлозы образована из множества (от нескольких сотен до десятков тысяч) остатков β-D-глюкозы, связанных между собой гликозидными ( водородными ) связями.

Молекула целлюлозы имеет линейное строение и склонна принимать вытянутую стержневую конформацию.

Так как макромолекула целлюлозы представляет собой смесь молекул (мономерных звеньев) с различной степенью полимеризации (т.е. числом мономерных звеньев в молекуле полимера ), то она неоднородна по молекулярной массе. Целлюлоза из древесины имеет типичную длину цепи от 300 до 1700 единиц мономерных звеньев C₆H₁₀O₅, хлопок и другие растительные волокна, а также бактериальная целлюлоза имеют длину цепи от 800 до 10 000 единиц звеньев C₆H₁₀O₅.

Молярная масса мономерного звена целлюлозы С₆Н₁₀О₅ составляет 162,1406 г/моль

Целлюлоза – это растительный полисахарид, являющийся самым распространенным органическим веществом. Целлюлоза является главной составляющей частью и структурным материалом оболочки растительной клетки. Кроме целлюлозы в состав клеточных оболочек входят еще несколько других углеводов, известных под общим названием гемицеллюлозы (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.).

Внешне целлюлоза в чистом виде представляет собой белое твердое волокнистое вещество, без вкуса и запаха.

Волокна целлюлозы обладают высокой механической прочностью.

Хорошо впитывает воду из-за наличия гидроксильных групп в своем составе.

Подвергается разложению при участии микроорганизмов и при действии ультрафиолетовых лучей.

Не разрушается при нагревании до 200 о С.

Нахождение целлюлозы в природе:

В чистом виде в природе не содержится.

В большом количестве целлюлоза содержится в волокнах хлопка – 95-98 %, льна – 60-85 %, в тканях древесины – 40-55 %, в растительных остатках, попадающих в почву (листьях, стеблях и пр.), – 40-90 %, в соломе – до 30 %.

Физические свойства целлюлозы:

Химические свойства целлюлозы. Химические реакции целлюлозы:

Из-за наличия трёх гидроксильных групп в каждом звене целлюлоза проявляет свойства многоатомных спиртов, поэтому для нее характерны все химические реакции, свойственные спиртам: образование простых и сложных эфиров органических и неорганических кислот, получение щелочной целлюлозы и др.

Основные химические реакции целлюлозы следующие:

1. гидролиз целлюлозы:

2. реакция нитрования целлюлозы (т.е. реакция целлюлозы с азотной кислотой).

3. реакция этерификации целлюлозы с уксусной кислотой.

4. реакция пиролиза целлюлозы:

5. реакция горения целлюлозы:

В результате реакции происходит полное окисление целлюлозы до углекислого газа и воды.

Производство и получение целлюлозы:

Содержание целлюлозы в древесине составляет порядка 40-55 %. Остальное – гемицеллюлоза (ксилан, маннан, галактан, арабан и др.) и лигнин. Лигнин (от лат. lignum – дерево, древесина) – это вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток, и представляющее собой смесь ароматических полимеров родственного строения. На лигнин приходится от 18 до 24 % массы древесины лиственных пород и 23-50 % массы хвойных пород. Причем (лигнин) последний выполняет функцию связующего вещества между волокнами целлюлозы.

Если образно сравнить древесину с железобетоном, то получается, что волокна целлюлозы, обладающие высокой прочностью на растяжение, подобны арматуре в железобетоне, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, – бетону.

Гемицеллюлоза в древесине выполняет функцию укрепления волокон целлюлозе. Она представляет собой растительные гомо- и гетерополисахариды с меньшей, чем у целлюлозы, молекулярной массой (10 000-40 000 г/моль), состоящие из остатков разных пентоз и гексоз.

Целлюлоза получается (выделяется) из древесины двумя методами: механическим и химическим. При любом методе получения целлюлозы древесина предварительно измельчается в щепу.

Механический метод получения целлюлозы:

При механическом методе получения целлюлозы древесную щепу, как правило, истирают или размалывают в водной среде в присутствии специальных реагентов. Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна. Затем волокна очищаются. Однако полностью лигнин из полученных волокон не удаляется, а остается на поверхности и внутри них, что сказывается на качестве полученной целлюлозы и в будущем – на получаемых бумажных листах.

Выход «механической» древесной массы получается достаточно высоким.

Бумажные листы из «механической» древесной массы имеют низкую плотность, высокую твердость и жесткость, а также цвет исходной древесины.

Химический метод получения целлюлозы:

Химический метод получения целлюлозы заключается в том, что древесную щепу помещают в кипящий раствор, где варят в течении длительного времени.

По типу применяемых реагентов различают несколько способов варки древесной щепы:

– сульфитный. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например, гидросульфит натрия. Варка происходит при повышенной температуре и давлении. Этот способ варки применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты;

– сульфатный. Наиболее распространённый способ на сегодняшний день. В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия. Данный способ пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья.

В процессе варки получают техническую целлюлозу, которая выпадает в осадок, а лигнин взаимодействует с варочным раствором, в результате чего получаются различные химические вещества (кормовые дрожжи, сульфатный лигнин, сульфатное мыло, фитостерин, талловое масло, канифоль, сернистые соединения, метанол, скипидар и пр.).

Техническая целлюлоза для удаления гемицеллюлозы и облагораживания обрабатывается холодным или горячим раствором щелочи, а для удаления остаточного лигнина – хлором, озоном, кислородом, пероксидом водорода, после чего – щелочью. Процесс удаления лигнина также называется отбелкой целлюлозы и имеет цель придание ей белизны.

В отличие от целлюлозы, полученной механическим способом, целлюлоза, полученная химическим способом, имеет белый цвет, большую длину волокон, становится более гибкой.

Применение целлюлозы:

– для производства бумаги и картона,

– в качестве наполнителя в таблетках в фармацевтике,

– для получения искусственных волокон (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха),

– для изготовления тканей (хлопок, который большей частью состоит из целлюлозы – 95-98 %),

Источник

Механический и химический способы получение целлюлозы

Из целлюлозы получают в дальнейшем бумагу и картон.

Получение целлюлозы и ее дальнейшая обработка

Всего существует два способа получения целлюлозы:

Процесс получения целлюлозы

Целлюлозу получают из чистой древесины и макулатуры.

Обычно для этих целей применяются два вида методов:

Механическиё метод

При механическом получении древесной массы древесину, как правило, истирают или размалывают в водной среде. Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна.

«Механическую» схему получения волокон целлюлозы можно описать примерно так. Промытая древесная щепа помещается в специальный рафинер, где измельчается и обрабатывается.

После очистки древесная масса готова для дальнейшей обработки. Поскольку, несмотря на обработку, лигнин не удаляется полностью, выход древесной массы получается высоким.

Наличие лигнина на поверхности и внутри волокон увеличивает их твердость и жесткость, а также придает им сравнительно стабильный размер.

Листы, полученные из «механической» древесной массы, имеют высокую пухлость и низкую плотность, то есть достаточно низкую массу единицы площади для данной толщины.

Это очень важно, поскольку отражается на технических и «экономических» показателях материала.

Наша компания занимается производством гофрокартона и упаковки из него. Также мы реализуем коробки из гофрокартона, микрогофрокартон и упаковочные материалы.

Химический метод

Древесная масса, приготовленная механическим способом, сохраняет исходный цвет древесины, химико-термомеханическая масса немного светлее. Если масса дополнительно была еще и отбелена, то ее называют беленой химико-термомеханической массой (БХТММ).

Общий объем получаемой химическим способом целлюлозы зависит от способа варки, а так же от вида древесины. «Выход» сырья может составлять от 40 до 65%. Конечно, это ниже, чем для древесной механической древесины, поскольку при варке из древесины удаляются не целлюлозные вещества. При этом объемы изготовления не снижаются.

Средняя длина волокна при химических способах получения полуфабрикатов из одной и той же древесины получается больше, чем при механических.

Волокна также становятся гибче. Все это обеспечивает получение более прочного и гибкого листа.

Отбелка целлюлозы

Поскольку после варки древесины целлюлоза приобретает коричневый цвет, ее необходимо отбеливать.

Целлюлоза обычно отбеливается путем удаления остаточного лигнина и других компонентов древесины. Чистые целлюлозные волокна обычно бесцветны и прозрачны, а сама беленая целлюлоза имеет красивый белый оттенок.

Побочные продукты такой отбелки безвредны.

Беленая целлюлоза обладает высокой стойкостью к воздействию света. Под его действием она лишь слегка желтеет.

«Вторичное» волокно

В зависимости от природы исходного сырья, степени его обработки и переработки вторичное волокно может обладать различными свойствами.

Следует помнить, что всякий раз при переработке бумаги средняя длина волокна и способность к образованию межволоконных связей уменьшается. Кроме того, некоторые виды картона и бумаги изначально не подлежат вторичной переработке. Все это делает необходимым поступление на рынок волокна, полученного непосредственно из древесины. Иначе качество бумажного продукта будет снижаться.

В зависимости от вида и источника макулатуры существует много сортов макулатурного сырья. Они отличаются качеством и степенью пригодности для повторного использования.

Всего же, к примеру, в европейском отраслевом перечне описывается 57 видов макулатурного сырья. Подобные же перечни имеются в США, Японии и других развитых странах.

Иные виды сырья в изотовлении картона

Содержание волокнистых (целлюлозных) полуфабрикатов достигает в изготовлении бумаги и картона 88%. Остальные 12% приходятся на неволокнистые добавки. Это могут быть:

Все эти вещества служат улучшению внешнего вида материалов, их функциональных качеств, а так же повышают эффективность изготовления.

Мелование

В состав меловальной суспензии входят:

Чтобы улучшить впитываемость печатной краски, усилить непрозрачность бумаги и ее гладкость, применяются также и специальные наполнители.

Белые неорганические материалы, добавляемые в бумажную массу, «забивают» пустоты в волокнистой структуре, увеличивая рассеяние света.

Вместе с минеральными пигментами, применяемыми для мелования, наполнители составляют до 9% сырья, используемого бумажной промышленностью.

Проклейка

Для придания бумаге определенной степени гидрофобности используется проклейка в бумажной массе. Благодаря ей изделие приобретает ограниченные впитывающие свойства по отношению к чернилам, воде и другим жидкостям.

Во время приготовления бумажной массы в нее добавляют канифольный клей и сульфат алюминия. В результате их взаимодействия образуется резинат алюминия, покрывающий поверхность волокон.

Для того чтобы придать бумаге прочность в условиях повышенной влажности в бумажную массу вводят мочевино- и меламиноформальдегидные смолы. Это может быть нужным, к примеру, для транспортной тары или многослойных бумажных мешков, которые могут оказаться под дождем.

Для увеличения прочности в сухом состоянии используют крахмал.
К слову, крахмал может применяться в бумажном производстве и для поверхностной проклейки в клеильном прессе. Перед началом работы бумаго- или картоноделательной машины раствор крахмала наносят на одну или обе поверхности листа. Тем самым увеличивается прочность листа, предотвращается «пылимость», влияющая на качество печати.

Также для улучшения свойств бумаги могут использоваться воск, акриловые смолы и фторуглероды.

Советуем прочитать:

Потребительская упаковка

Цветной гофрокартон

Где купить цветной гофрокартон

Гофрокоробки как POS материал

Какой упаковкой привлечь покупателя

Добавки

Что касается добавок, облегчающих технологический процесс, то тут применяются самые разные химические вещества.

К примеру, пеногасители и коагулянты улучшают обезвоживание при формовании листа.

Антисептики подавляют микробиологическую активность в изготовлении.

Также используются многообразные добавки, препятствующие оседанию смоляных загрязнений на бумагоделательной машине. Нарастая, а затем, отделяясь, они могут вызвать обрывы полотна и немалые проблемы при печати.

Источник

Производство целлюлозы

Щелочным или сульфатным способом получают целлюлозу из любых пород, в том числе отходов древесины. При этом в качестве варочной кислоты используют щелочной раствор каустической соды и сульфата натрия. Продукты варки разделяют на сульфатную целлюлозу и сульфатные щелоки. Этот способ характеризуется меньшим удельным расходом сырья, воды по сравнению с сульфитным. Получают целлюлозу лучшего качества и применяют ее для выработки химических волокон. Щелоки после регенерации повторно используют в технологическом процессе.

Сваренную целлюлозу промывают водой, очищают от непроваренной щепы, мелких сучков, минеральных загрязнений, доводят до высокой степени чистоты и отбеливают кислородом, хлором, его окислами и солями, перекисью водорода, каустической содой. Отбеленную целлюлозу измельчают в мельницах и получают товарный продукт. Готовый продукт в жидком состоянии поступает в бумажное производство. При этом бумажные фабрики комбинируют с целлюлозными заводами и формируют целлюлозно-бумажные комбинаты (ЦБК). Создание таких сочетаний экономит материальные, трудовые, финансовые ресурсы, так как упрощается производственный процесс (рис. 16). Если целлюлозу отправляют на экспорт, предприятия, расположенные в других районах страны, ее превращают в полотно, прессуют, сушат и нарезают листы наподобие толстого картона. У потребителя ее опять превращают в жидкую массу сильной струей воды.

Вырабатывают целлюлозу различных видов и марок, что зависит от способа варки и степени очистки. Выделяют жесткую, нормальную, мягкую, небеленую, полубеленую и беленую целлюлозу.

Кроме щелоков, образуются газообразные отходы, содержащие окислы углерода, азота, серы, сероводород, углеводороды и другие соединения. Они частично абсорбцией улавливаются и утилизируются для получения сульфатного мыла, таллового масла, жирных кислот. Сернистые соединения применяют как вещество, придающее запах природному газу.

Лигнин щелоков возможно использовать для частичной замены фенолов в производстве пластмасс, оболочковых форм, как наполнитель искусственной кожи, частичный заменитель сажи в шинной промышленности.

Неполная утилизация отходов, отсутствие и плохая работа очистных сооружений обусловливают попадание вредных веществ в воздух, водоемы. Вопросы охраны окружающей среды целлюлозного производства усиливаются высокой водоемкостью и использованием химически активных веществ. Особого внимания заслуживает загрязнение воды непроваренными остатками древесины, волокнами целлюлозы, которые в виде мощного слоя органики накапливаются на дне водоемов, подвергаются разложению. Как следствие, нарушение водно-химического состава воды, что приводит к гибели растительности, животных. Особенно это проявляется в водоемах с качественной водой, где минимальное нарушение ее состава имеет отрицательное последствие для уникального биологического мира, как на озере Байкал. Выбросы вредных веществ в воздушное пространство вызывают высыхание растительности. Улучшение экологической обстановки в центрах целлюлозного производства связано с совершенствованием технологических процессов, при которых вредные выбросы в атмосферу, водоемы сведены до минимума или вовсе исключены. Разработаны способы варки целлюлозы без серосодержащих соединений, которые требуют больших затрат на создание безвредных процессов для окружающей среды из-за высокой стоимости очистных сооружений. Снизить потребление природной воды, образование и выбросы грязных стоков в водоемы в 10 раз позволяют внедрение водооборотных систем.

Технико-экономическая специфика целлюлозного производства состоит в высокой материало- и водоемкости. На 1 т целлюлозы расходуют около 5 куб.м древесины, 100 кг серы и 200 кг известняка, 50 кг сульфата натрия, 20 кг каустической соды и 500-650 куб.м воды. Большой расход сырья обусловливает территориальное макроположение предприятий в районах лесных ресурсов. Конкретное расположение здесь заводов зависит от водных ресурсов. При этом значение имеет не только общая водообеспеченность территории, но качество воды, так как производство целлюлозы высокой химической чистоты для конденсаторной, кабельной бумаги требует воды с малым содержанием солей. Значение водных ресурсов в размещении целлюлозных предприятий усиливается сплавом леса по рекам, озерам.

Источник