Целюлоза
Целюлоза міститься у кліткових стінках всіх рослин. Проте найбільш поширена для виготовлення волокнистої сировини є деревина у якій міститься до 50 % целюлози. Молекули целюлози ниткоподібні, лінійні, тому можуть утворювати волокна.Целюлоза – природний полімер, полісахарид, належить до класу вуглеводів. Вона є високомолекулярною речовиною, яка не розчиняється у звичайних розчинниках, є гігроскопічною та набухає у воді. Завдяки лінійній будові макромолекули целюлози розміщуються у рослинних клітинах паралельно один до одного, утворюючи фібрили. Фібрили мають різну товщину від 5 до 30 нм. Особливість лінійних макромолекул є їх гнучкість. Воно ж сприяє щільному їх упакуванню, так що у волокна утворюється кристалічна структура, причому кристалічні ділянки перемежовуються з аморфними. Целюлоза складається з довгих ланцюгових молекул, утворених повторюваними одиницями, що складаються із двох β-α-глюкозних залишків, з'єднаних між першими й четвертим вуглецевими атомами глюкозидним зв'язком. Макромолекула целюлози (С6Н10О5)n має різний коефіцієнт полімеризації залежно від походження. Загальна формула целюлози (клітковини) така сама, як у крохмалю, але ступінь полімеризації значно більший. Наприклад, у деревної целюлози він дорівнює приблизно 3 000, у бавовняної — 12 000, у льняної — 36 000. Тому бавовняні та льняні волокна міцніші порівняно із деревними. Довгі целюлозні ланцюги, що досягають 3,5-5 мк у рослинному волокні й 0,3-1,5 мк у технічній целюлозі, утворюють у клітинній стінці орієнтовані ділянки, тверді кристалічні пучки, у яких окремі ланцюги целюлози зв'язані між собою силами міжмолекулярної взаємодії - водневими зв'язками між гідроксильними групами сусідніх ланцюжків.
Поряд з орієнтованими ділянками целюлози (кристалітами) у клітинній стінці волокна є й ділянки з менш упорядкованим розташуванням целюлозних ланцюгів (аморфні області). Кількість кристалічних областей, як визначено рентгенографічним методом, у деревній і бавовняній целюлозі становить близько 70%, а на частку аморфних областей доводиться близько 30% .
Рис.1.12. Хімічна формула целюлози
За сучасними поглядами, пучки целюлозних ланцюгів із жорсткою міжмолекулярною взаємодією між ними представляють кристалічні ділянки целюлози, в яких відстань між ланцюгами мінімальна, а енергія зв'язку - максимальна. Ці кристаліти, або (за старою термінологією) міцели, є основними структурними одиницями клітинної стінки целюлозного волокна - елементарними фібрилами. Фібрили мають різну товщину - від 5 до 30 нм. Елементарні фібрили ідеально кристалізовані, питома вага їх дорівнює 1,59, тобто в точності відповідає питомій вазі речовини целюлози. Простір між елементарними фібрилами заповнено аморфною целюлозою й частково нецелюлозним матеріалом (геміцелюлозами), який можна видалити лугом. Елементарні фібрили в клітинній стінці целюлози зібрані в більші пучки - мікрофибрили, а останні в ще більш великі фрагменти - макрофібрили, добре видимі у світловий мікроскоп. Сукупність пучків макро- та мікрофібрил утворює волокно. Аморфні ділянки є більш щільними та міцними. Тому при розмелюванні волокна розщеплюються за аморфними міжфібрилярними ділянками при цьому поверхня волокон вкривається мікроволокнистими фібрилами і стає ворсистою (фібрилювання). Це забезпечує щільне переплетення та краще зціплення волокон при формуванні паперу.
Таким чином, клітинна стінка целюлозного рослинного волокна має фібрилярну структуру, що дозволяє не тільки ділити волокно на поздовжні фрагменти будь-яких розмірів, але й, як побачимо далі, зв'язувати волокна між собою в єдину структуру. На цій властивості волокна засновані процеси паперового виробництва, розмел волокнистих матеріалів і відлив паперу.
Деревна целюлоза
Целюлоза хвойних порід є найціннішим волокнистим матеріалом для виробництва паперу. Вона складається в основному з довгих волокон трахеїд і містить дуже мало дрібних паренхімних клітин. Тому її можна застосовувати як у композиції з коротковолокнистими матеріалами (деревною масою, листяною, солом'яною, очеретяною целюлозою й ін.), так і самостійно. Середня довжина волокон хвойних целюлоз коливається в межах 2,4-3 мм, залежно від породи деревини, а середня ширина волокна становить 35-40 мк. Найчастіше для її виготовлення використовують деревину смереки (ели), сосни, ялиці (пихты) й модрини (лиственницы) Із цієї деревини виробляють волокнисті матеріали різного ступеня чистоти, від механічної деревної маси з виходом 97-98% до облагородженої целюлози з виходом 35-40%.
Целюлоза листяних порід – берези, осики, тополі, вільхи, бука й ін. має більше коротке волокно в порівнянні із хвойною й, крім того, містить клітини неволокнистої будови.
Волокнисті напівфабрикати з листяних порід відрізняються від напівфабрикатів з хвойних порід передусім тим, що менш однорідні за своєю анатомічною будовою. Ці волокна утворені на 75-90% з відносно коротких і товстостінних клітин лібриформу з голкоподібними кінцями і на 10-25% з судинних клітин неволокнистої будови, що являють собою короткі, тонкостінні і широкосмугові трубки. Клітини лібриформу мають довжину 0,7-1,5 мм, ширину близько 0,025 мм; довжина судин 0,3-0,7 мм, ширина – 0,05-0,06 мм. Тому при розламі напівфабрикатів з листяних порід деревини цей процес слід проводити таким чином, щоб не було істотного скорочування волокон і не відбувалося значного збільшення ступеня помелу маси.
Вона дає целюлозу з більш низькими механічними властивостями - опором зламу й розкраюванню. Із цієї причини напівфабрикати, вироблені з неї, застосовуються в паперовому виробництві звичайно в композиції з більш довговолокнистим матеріалом із хвойної деревини. З листяної деревини, як і з хвойної, одержують целюлозу, напівцелюлозу й деревну масу.
Недеревна целюлоза
Гарні напівфабрикати можуть бути отримані не тільки з деревини, але й з іншої рослинної сировини. Наприклад, високоякісний папір можна отримати з бавовни, льону, які містять до 80 – 90% целюлози і майже не містять лігніну (табл. 1.3).
Таблиця 1.3
Склад і характеристика деяких рослинних волокон
Волокно |
Вміст, % |
Довжина волокна, мм |
Ширина волокна, мм |
Відношення довжина/ ширина волокна |
|
целюлози |
лігніну |
||||
Бавовна |
84 – 91 |
– |
10 – 50 |
0,012 – 0,042 |
1200 – 1500 |
Бавовняний пух |
80 – 90 |
– |
2 – 10 |
0,011 – 0,020 |
400 |
Льон |
72 – 83 |
1,7 – 3,2 |
30 – 40 |
0,012 – 0,026 |
1200 – 1900 |
Конопля |
78 |
5,3 |
5 – 55 |
0,016 – 0,050 |
1000 |
Целюлоза солом’яна |
47 – 49 |
23 – 25 |
0,5 – 2,0 |
0,01 – 0,02 |
76 |
Целюлоза ялинова |
49 – 58 |
28 – 30 |
2,5 – 4,0 |
0,025 – 0,07 |
68 |
Целюлоза соснова |
54 – 57 |
26 – 28 |
2,5 – 4,5 |
0,03 – 0,078 |
70 |
Целюлоза осикова |
50 |
20 – 22 |
0,8 – 1,7 |
0,02 – 0,046 |
36 |
Напівфабрикати з однорічних рослин містять волокна ще менш однорідні, ніж з листяних порід деревини. В них міститься значна кількість (до 50%) луб’яних волокон, що являють собою довгі тонкі стрічкоподібні клітини з загостреними кінцями, трохи волокон, що нагадують лібриформу листяних порід деревини. Це найбільш цінні волокна, що мають гарні папероутворюючі властивості. Однак в однорічних рослинах міститься до 50% менш цінних, з точки зору паперового виробництва, коротких клітин покривного шару (епідермісу): паренхімних, судинних, спіральних та ін. Тому напівфабрикати з однорічних рослин так само, як і з листяних порід деревини, вимагають м'яких умов розмелу.
Целюлоза зі стебел однолітніх рослин – соломи злаків, кукурудзи, очерету, багаси (цукрового очерету), трав альфи й эспарто, а також древовидної багаторічної рослини – бамбука. Волокна рослин цієї групи (за винятком бамбука) відрізняються невеликою довжиною й наявністю в них клітин неволокнистої будови. З них виробляють целюлозу, напівцелюлозу й деревну механічну масу з виходом від 35 до 70% і вище. Використаються вони у виробництві паперу в сполученні з довговолокнистими напівфабрикатами.
Целюлоза з луб'яних волокон однолітніх рослин – льону, коноплі, джуту, рами, кенафу, гампи, митсумати й кодзу. Ці волокна відрізняються великою довжиною й високою міцністю. Вони йдуть для виготовлення міцної біленої, рідше небіленої целюлози.