Важность проблемы более полного использования лиственной и мелкотоварной древесины, а также древесины лиственницы определяется следующими объективными условиями:
- быстрым ростом потребления древесины, истощением лесных ресурсов и в первую очередь запасов высококачественной хвойной балансовой древесины, трудностями их воспроизводства;
- глобальной экологической значимостью лесов и необходимостью их всемерного сохранения;
- перемещением производства целлюлозно-бумажной продукции в лесоизбыточные районы страны с преобладанием в лесонасаждениях древесины лиственницы;
- научно-техническими достижениями в области переработки древесины лиственных пород, а также лиственницы на важные продукты (целлюлозу, бумагу, картон и многое другое), что позволяет значительно расширить сырьевую базу лесной индустрии и в некоторой степени решить проблему нехватки высококачественной хвойной древесины;
- более низкой стоимостью лиственной древесины и других низкокачественных видов древесного сырья по сравнению со стоимостью хвойной балансовой древесины, что обусловливает общую народнохозяйственную эффективность наиболее полного использования ресурсов низкокачественной древесины;
- более высокой экономической эффективностью переработки древесного сырья на целлюлозно-бумажную продукцию по сравнению с деревообработкой.
Целлюлозно-бумажная промышленность может сыграть основную роль в решении проблемы использования древесины пониженного качества, а также древесины лиственницы. Использование полуфабрикатов из лиственных пород и древесины лиственницы для изготовления бумаги, картона и искусственных волокон не только возможно, но и необходимо. Однако использование в целлюлозно-бумажной промышленности в широком масштабе этих видов древесного сырья требует решения определенных технических, экономических и организационных проблем.
До недавнего времени древесина лиственных пород считалась малопригодным сырьем для целлюлозно-бумажной промышленности. Многочисленные исследования показали, что волокнистые полуфабрикаты из древесины лиственных пород в сочетании с полуфабрикатами из хвойных улучшают свойства бумаги и картона. Целлюлозно-бумажная промышленность освоила выпуск различного вида целлюлозы из древесины лиственных пород.
Из древесины различных лиственных пород, произрастающих на территории Советского Союза, наибольший интерес для целлюлозно-бумажной промышленности представляют береза (Betula verrucosa) и осина (Populus tremula). Древесина лиственных пород отличается от хвойных анатомическим строением, физическими свойствами и химическим составом.
Лиственная древесина по структуре анатомических элементов значительно сложнее хвойной. В древесине хвойных пород имеется два основных типа волокон: длинные трахеиды (до 90—95%) и короткие паренхимные клетки (70%). В состав лиственной древесины входят проводящие элементы (сосуды), механические (волокна либриформа) и запасающие (паренхимные клетки). Волокна либриформа занимают во многих породах лиственной древесины до 3/4 ее объема и состоят в основном из целлюлозы, частично гемицеллюлоз и полиуронидов. Они имеют толстые и одревесневшие оболочки благодаря отложению в них лигнина. В березе содержится примерно 65% (объемных) либриформных волокон, 25% сосудистых и 10% паренхимных клеток.
Волокна древесины лиственных пород отличаются от хвои ных также и по размерам. Они в 2—3 раза короче и в 1,5 раза тоньше волокон хвойной древесины. Длина волокон древесины березы составляет 0,7—1,6 мм, осины 0,8—1,8 мм, хвойных 2,5—6 мм.
Более короткие волокна лиственной древесины усложняю: отлив бумажного полотна на бумагоделательной машине вследствие низкой прочности его во влажном состоянии, что отрипа тельно сказывается на прочности листа. В связи с этим ограничиваются возможности использования таких волокон в композиции различных видов бумаги. Одно из основных физических свойств, отличающих древа сину лиственных пород от хвойных и имеющих большое практическое значение для целлюлозного производства, — плотность древесины. Древесина лиственных пород плотнее древесины хвойных. Это является положительным фактором, так как при одинаковом объеме загружаемой для варки в котел древесины весовое количество лиственной древесины будет более высоким, чем хвойной. Условная плотность березы составляет более 500 кг/м3, плотность сосны, кедра, ели и пихты — меньше или около 400 кг/м3. Осина по плотности значительно уступает березе. Уровень плотности осины соответствует примерно уровню плотности названных хвойных пород.
По химическому составу хвойные и лиственные породы существенно различаются как по количественному так и по качественному составу компонентов. Древесина лиственных пород отличается от древесины хвойных большим содержанием гемицеллюлоз и меньшим содержанием лигнина. В березе и осине содержится примерно 19—22% лигнина и 22—30% гемицеллюлоз, в сосне и ели 26—28% лигнина и 15—20% гемицеллюлоз. Этим частично объясняется то, что выход холоцеллюлозы из лиственной древесины больше, чем из хвойной (70—82% против 65—73%).
Состав и качество экстрактивных веществ в лиственной и хвойной древесине различны. В хвойной древесине содержание экстрактивных веществ, растворимых в органических растворителях, больше, чем в лиственной, и значительную их часть составляют смоляные кислоты. В лиственной древесине смоляные кислоты либо отсутствуют, либо содержатся в незначительных количествах, а преобладают нейтральные вещества.
Осиновая древесина отличается от березовой более слабыми механическими свойствами, более низкой плотностью, более низким содержанием пентозанов и более высоким содержанием целлюлозы.
Физико-химические и анатомические особенности древесины лиственных пород потребовали изучения всех вопросов, связанных с их использованием в целлюлозно-бумажной промышленности. Отмечается, например, что окорять березу значительно труднее, чем хвойные породы.
Примерно 30% березовых бревен направляется повторно в окорочный барабан для доокорки.
Приготовление щепы из древесины лиственных пород не вызывает затруднений. При рубке березовой древесины ножи устанавливают так же, как и при рубке хвойной. При производстве целлюлозы из березовой древесины наблюдаются смоляные затруднения, проявляющиеся в забивании отложениями отверстий различных сит. Одним из средств борьбы со смоляными затруднениями является продолжительное выдерживание древесины на воздухе. При этом хранение щепы в кучах на открытом воздухе способствует сокращению сроков выдерживания, так как «созревание» (окисление) экстрактивных веществ в этом случае происходит быстрее.
ВНПОбумпром разработал способ снижения смолистости сульфатной небеленой березовой целлюлозы. Использование древесины осины для производства сульфатной целлюлозы различного назначения позволяет получать целлюлозу с очень низким содержанием смолистых веществ.
Кучевое хранение березовой щепы до 4 месяцев приводит к потерям вещества древесины до 4% массы исходной древесины. В результате хранения щепы значительно уменьшается содержание экстрактивных веществ как в небеленой, так и в беленой целлюлозе. Выход сульфатной целлюлозы из хранившейся непродолжительное время древесины оказывается не 1—1,5% (и даже более) ниже, чем из исходной березовой древесины. Показатели качества целлюлозы остаются неизменными.
По сравнению с сосновой древесиной березовая и осиновая требуют меньшего расхода химикатов и продолжительности варки. Выход волокнистых полуфабрикатов из древесины получается на 5—7% более высоким. При варке березовой древесины выход целлюлозы с 1 м3 котла также заметш превышает выход хвойной целлюлозы за счет большей объемной массы древесины березы и других лиственных пород древесины.
Лиственная целлюлоза промывается труднее из-за меньшей длины волокна, поэтому степень промывки ее ниже, чем хвойной. Качество промывки в большой степени зависит от окорки древесины. Разваренные частички коры вызывают повышенное пенообразование, что влечет за собой большие потери щелочи и волокна. Обезвоживание лиственной целлюлозы происходит труднее, вследствие чего производительность промывного оборудования снижается на 25—30%. Процесс получения, волокнистых полуфабрикатов из лиственной древесины проходит в более мягких условиях, так как после растворения лигнина срединной пластинки углеводный комплекс остается менее защищенным и быстрее подвергается деструкции, особенно в кислой среде. В процессе варки лиственная древесина быстрее распадается на волокна, чем хвойная, так как точка сепарирования сваренной массы лежит при более низких степенях провара (при большем содержании лигнина).
В странах с развитой целлюлозно-бумажной промышленностью лиственная древесина в основном используется для производства беленой целлюлозы (применяемой для изготовления бумаги и картона, искусственного волокна), для производства различных видов полуцеллюлозы, предназначенной для изготовления гофрированного картона для картонных ящиков и др. Каждое из направлений имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при решении проблемы рационального и эффективного использования древесины лиственных пород.
Лиственная древесина широко применяется в производстве целлюлозы для химической переработки. За рубежом из лиственных пород используется главным образом древесина бука, осины, березы, тополя, дуба, клена, эвкалипта и др. Для отечественной целлюлозно-бумажной промышленности наиболее перспективными породами являются береза и осина.
За рубежом вискозную целлюлозу из лиственной древесины получают в основном сульфатным способом варки. При сульфитном способе варку производят на растворимых основаниях — натриевом или натриево-аммониевом. Широко распространен сульфатный способ варки в сочетании с предварительным водным гидролизом, обеспечивающим получение целлюлозы с высокой химической чистотой и небольшим содержанием пентозанов. Сульфитная и сульфатная вискозная целлюлозы из лиственной древесины сравнительно мало различаются по реакционной способности к вискозообразованию. Сульфитная целлюлоза отличается более высоким выходом из древесины после варки, но выход готовой продукции несколько меньше, чем у сульфатной, вследствие повышенных потерь сульфитной целлюлозы при отбелке. Сульфатный способ варки позволяет избежать смоляных затруднений в процессе переработки целлюлозы.
При получении вискозной целлюлозы с содержанием альфа-целлюлозы свыше 92% применяется сульфатный способ варки с водным предгидролизом. Помимо возможности получения продукта с высоким содержанием альфа-целлюлозы при сульфатном способе варки получается целлюлоза, которую используют в производстве различных волокон (штапеля, полипозных волокон, высокопрочного штапеля, кордного волокна и др.). Исследования по использованию лиственной древесины (березы и осины) для производства сульфатной целлюлозы, предназначенной для последующей химической переработки на различные виды волокон, в широких масштабах проводились во Всесоюзном научно-производственном объединении целлюлозно-бумажной промышленности (ВНПОбумпром).
Из двух пород лучшие результаты дает осина. Выход целлюлозы из осиновой древесины выше, чем из березовой, что объясняется более высоким первоначальным содержанием целлюлозы в древесине и меньшим — гемицеллюлоз. Это обстоятельство способствовало получению более высокого содержания альфа-целлюлозы (одного из важнейших показателей качества целлюлозы, предназначенной для химической переработки). По сравнению с хвойной (сосновой) древесиной, из которой в основном в отечественной практике получают целлюлозу для химической переработки, лиственная древесина даст более реакционную к вискозообразованию сульфатную целлюлоз).
Повышенная вязкость лиственной сульфатной предгидролизной целлюлозы по сравнению с хвойной способствует получению из этих пород древесины целлюлозы для полипозных волокон и для ацетилирования. Лиственная предгидролизная сульфатная целлюлоза обладает более высокой реакционной способностью к ацетилированию, чем сосновая целлюлоза.
При использовании лиственной древесины в производстве сульфатной предгидролизной целлюлозы для химической переработки важное условие — обеспечение предприятий балансами, не содержащими гнили. При этом необходимость длительного выдерживания древесины не стоит так остро, как при производстве из нее других волокнистых полуфабрикатов. Это обусловлено наличием разработанного способа обработки щепы во время варки, при котором смолистость сульфатной небеленой березовой целлюлозы снижается до уровня содержания смолы в хвойной целлюлозе.
В результате исследований разработаны технологические режимы получения целлюлозы из лиственной древесины, пригодной для использования в производстве различных видов химических волокон (кордного, полинозного, штапельного, ацетатного и высокопрочного штапельного волокна). Эти режимы были проверены в полупромышленных условиях многочисленными выработками целлюлозы с последующей переработкой на предприятиях химической промышленности. На основании этих работ определены технические требования к лиственной целлюлозе для химической переработки.
Опыт переработки лиственной древесины свидетельствует о том, что наиболее целесообразно использовать ее для производства сульфатной целлюлозы с предгидролизом, сульфатной беленой целлюлозы для бумаги и моносульфатной полуцеллюлозы преимущественно для производства бумаги-основы для гофрирования. Лиственная древесина применяется также в небольших объемах для производства бисульфитной полуцеллюлозы и целлюлозы.
Плотность древесины березы сильно отличается от плотности древесины осины, что имеет большое значение при переработке сырья в целлюлозу. Количество березовой древесины, загруженной в котел, вследствие более высокой объемной массы значительно выше, чем осиновой, в связи с этим для получения целлюлозы заданной степени делнгнификации на варку березовой и осиновой щепы необходимо задавать различное количество активной щелочи. Если на варку будет поступать нерегулируемая смесь щепы березы и осины, качество получаемой целлюлозы будет неоднородным. Для эффективного использования лиственных пород древесины и получения при этом однородной по качеству с высокими показателями целлюлозы необходимо производить раздельную варку березовой и осиновой древесины, или же варить смесь пород, но при одном и том же постоянном соотношении каждой из них. Независимо от вида варки поставка березовой и осиновой древесины, хранение и приготовление щепы должны быть раздельными.
Древесина лиственных пород значительно сильнее, чем древесина хвойных, поражается грибами различного вида. В результате большая часть заготовляемой и поставляемой на целлюлозно-бумажные предприятия древесины содержит то или иное количество гнили.
Гниль в древесине особенно III и IV стадий значительно влияет на варку и показатели качества сульфатной целлюлозы: снижаются ее прочность и выход, сильно повышается сорность, целлюлозы. Кроме того, древесина, пораженная гнилью, имеет обычно более низкую объемную массу, чем здоровая, что понижает выход целлюлозы из варочного котла. Для уменьшения отрицательного влияния гнили в древесине на показатели варки необходимо проводить облагораживание дровяной древесины каким-либо из известных способов, чтобы содержание гнили в щепе, идущей на варку, не превышало 3—5% (при получении целлюлозы для бумаги).
Сульфатная целлюлоза из лиственной древесины по своим свойствам отличается от целлюлозы, полученной из хвойной древесины. Она имеет меньшую степень делигнификации и содержит меньше лигнина. Величина разрывной длины березовой целлюлозы несколько уступает такой длине целлюлозы из сосны. Этот показатель у осиновой целлюлозы на 1500—2000 м ниже, чем сосновой. Сопротивление излому у лиственной целлюлозы ниже, чем у сосновой целлюлозы, и составляет 1500— 2500 двойных перегибов. Сопротивление раздиранию на 20— 25% ниже аналогичного показателя сосновой целлюлозы.
Сульфатная варка древесины лиственных пород осуществляется в котлах непрерывного и периодического действия. В отечественной промышленности сульфатная варка проводится только в котлах непрерывного действия с преимущественным выпуском на установках большой единичной мощности. В 1975 г. в стране пущен крупнейший в мире поток мощностью по варке 285 тыс. т в год сульфатной лиственной (березовой) целлюлозы.
Лиственная небеленая сульфатная целлюлоза ограниченно применяется в производстве бумаги и картона. В беленом виде этот вид волокнистых полуфабрикатов находит широкое применение. Отбелка лиственной целлюлозы в основном проводится по режимам и схемам близким к применяемым для отбелки хвойной целлюлозы. Оборудование для отбелки также мало отличается от оборудования, используемого для отбелки хвойной целлюлозы.
Интенсивное развитие механизированного и автоматизированного производства картонной тары, особенно картонных ящиков взамен деревянных, требует большого количества гофрированного картона и гофрированной бумаги для него. Для получения гофрированной бумаги особенно неоспоримо преимущество полуфабрикатов высокого выхода из древесины лиственных пород.
Промышленностью освоены моносульфитный способ варки полуцеллюлозы на натриевом или аммониевом основании и бисульфитный способ варки на магниевом основании. При первом способе варки выход продукции из древесины достигает 75—85%, при втором — 65—70 %. Эти способы варки позволяют сохранить в лиственных полуфабрикатах значительную часть углеводов и лигнина, обеспечивающих высокую жесткость волокна, необходимую при производстве картонной тары. Лучшее сырье для получения бумаги-основы для гофрирования — березовая древесина. Из осиновой древесины получаются менее качественные полуфабрикаты. Моносульфатный и бисульфптный способы варки осуществляются в аппаратах непрерывного действия различной конструкции, простых в управлении с высокой степенью автоматизации.
Рубки ухода за лесом — одно из важнейших лесохозяйственных мероприятий. При этих рубках получается наряду с другими сортиментами мелкотоварная (тонкомерная) древесина, диаметр которой не превышает 6 см (4—6 см). Древесина, получаемая от рубок ухода, имеет особенности, отличные от древесины стандартных размеров. Один из самых существенных пороков такой древесины — сучковатость; в ней на 20—30 % сучков больше, чем в балансовой древесине. Относительное содержание коры в 1,5—2 раза больше. Повышенная смолистость и пониженная плотность массы древесины также снижают технологические свойства этого вида древесного сырья. Из-за небольшого диаметра и пониженных физических свойств мелкотоварную древесину невозможно окаривать вместе с балансовой древесиной. Рубка ее на щепу в одном потоке с балансами также затруднена. Мелкотоварную древесину от рубок ухода целесообразно рубить в щепу непосредственно в местах ее заготовки с последующим использованием щепы главным образом в производстве полуфабрикатов для бумаги и картона, к которым предъявляются пониженные требования по сортности и механическим свойствам, или в ограниченном количестве для производства массовых видов продукции (например, тарного картона) .
В отечественной целлюлозно-бумажной промышленности для получения сульфатной целлюлозы из древесины в качестве сырья используется сосна, в некоторых случаях ель и пихта, а также и лиственные породы. Постоянно растущие потребности в целлюлозе для бумаги и картона вызывают необходимость использовать в производстве волокнистых полуфабрикатов и другие древесные породы растений. Одной из таких новых пород для целлюлозно-бумажной промышленности является лиственница— наиболее распространенная древесная порода в СССР. На ее долю приходится 47% площади хвойных лесов Советского Союза и более половины всех запасов древесины в Сибири и на Дальнем Востоке страны.
На территории СССР произрастают несколько видов лиственницы, из которых промышленное значение имеют даурская (Larix dahurica) и сибирская (Larix sibirica). Древесина лиственницы благодаря высокой прочности, малому набуханию в воде, противогнилостным свойствам и способности хорошо сохраняться в воде применяется в судостроении, в строительстве зданий, для гидротехнических и подводных сооружений, для изготовления шпал, различного рода опор, мебели и т. д. Однако в отечественной целлюлозно-бумажной промышленности эта древесная порода долгое время не использовалась. Отчасти это объясняется сравнительно небольшими запасами в европейской части страны, где в основном было сосредоточено производство целлюлозы, а также особенностями физико-химических свойств древесины, не позволившими перерабатывать лиственницу сульфитным способом варки.
Исследования древесины лиственницы сибирской как сырья для получения целлюлозы были выполнены профессором Л. П. Жеребовым еще в 30-е годы. Под его руководством был впервые сделан химический анализ древесины этой породы и указана возможность комплексной химической переработки на целлюлозу и другие ценные продукты.
Широкие исследования лиственницы даурской проводились в Лесотехнической академии им. С. М. Кирова и в институте леса Академии наук СССР под руководством проф. Н. И. Никитина. Большой объем работ был выполнен проф. И. С. Хуторщиковым по выяснению физико-химических свойств древесины лиственницы сибирской, произрастающей в ряде районов Сибири и Дальнего Востока.
Много интересных и ценных данных по химическому составу и анатомическому строению лиственницы было получено во Всесоюзном научно-исследовательском институте целлюлозно-бумажной промышленности (ВНИИБ) и других институтах страны, а также за рубежом. Эти исследования послужили фундаментом для развертывания в стране экспериментальных работ по созданию технологии получения сульфатной небеленой и беленой лиственничной целлюлозы различного назначения, а также других волокнистых полуфабрикатов.
Лиственница, как и многие другие хвойные породы, является ядровой породой древесины. На долю ядровой части приходится 70—90% всей массы древесины. Химический состав обеих частей лиственницы различен.
Ядро лиственницы содержит меньше целлюлозы, лигнина и золы, чем заболонь, но значительно больше веществ, экстрагируемых горячей водой. По содержанию отдельных компонентов лиственница заметно отличается от сосновой древесины. Для лиственницы характерно пониженное содержание целлюлозы (до 30%) и большое количество водорастворимых веществ (в среднем 12—14% при максимальном количестве до 33,3%). У лиственницы наблюдается тенденция повышения этих веществ в древесине с увеличением ее возраста и диаметра при одновременном снижении процента целлюлозы.
Лиственница по сравнению с другими хвойными породами имеет более плотную структуру древесины. Так, объемная масса древесины сосны в абс. сухом состоянии составляет около 400 кг/м3, лиственницы значительно превышает 500 кг/м3. Большая плотность древесины создает трудности в транспортировке, окорке и рубке щепы, особенно в зимнее время. При рубке количество мелочи и опилок превышает такие показатели для сосновой древесины, а в зимнее время эта разница еще больше увеличивается. Волокна лиственницы отличаются по размерам от волокон сосны: они более толстостенные, имеют большие ширину, толщину, во многих случаях и длину. При этом с возрастом на периферийных участках ствола размеры элементов молодых волокон увеличиваются и превышают размеры волокон центральных участков.
Физические свойства и особенности химического состава и анатомического строения древесины лиственницы отражаются как на процессе делигнификации, так и на показателях качества целлюлозы и изделий из нее. Проведенные во ВНИИБ сравнительные исследования процесса делигнификации лиственничной и сосновой древесины сульфатным способом показали, что при одном и том же содержании лигнина выход лиственничной целлюлозы из древесины на 1—6% меньше выхода сосновой целлюлозы. Причина различия в показателях варки обеих пород древесины заключается в содержании в лиственнице большого количества водорастворимых веществ, главным образом арабиногалактана, легко переходящего в раствор и при этом потребляющего щелочь для нейтрализации продуктов разрушения. Вследствие этого для получения лиственничной целлюлозы одинаковой степени провара с сосновой необходимо увеличивать расход активной щелочи на варку на 1—2% от массы древесины.
Существует зависимость выхода целлюлозы от содержания водорастворимых веществ в древесине: чем их больше, тем ниже выход. Несмотря на сравнительно невысокий выход целлюлозы из древесины лиственницы, получение из нее целлюлозы оказывается рентабельным, так как благодаря большой объемной массе съем целлюлозы с 1 м3 варочного котла превышает аналогичный показатель при варке, например, сосны. Кроме того, на получение 1 т целлюлозы из лиственницы расходуется значительно меньше древесного вещества, чем при варке других хвойных пород. Разница ориентировочно составляет около 1 пл. м3.
Важнейший показатель оценки любого волокнистого полуфабриката с точки зрения его пригодности для бумаги и картона — механическая прочность. Лиственничная целлюлоза независимо от выхода слабее сосновой по разрывной длине на 1000—2000 м и показателю сопротивления продавливанию на 2—3 кг/см2, но по сопротивлению излому и особенно по сопротивлению раздиранию она прочнее сосновой целлюлозы. Последний показатель — наивысший среди древесных целлюлоз.
Механическая прочность лиственничной целлюлозы не стабильна, она в значительной степени зависит от свойств самой древесины. С увеличением возраста древесины (и соответственно диаметра) разрывная длина, сопротивление излому и продавливанию снижаются, а сопротивление раздиранию повышается.
Причина пониженных механических свойств лиственничной целлюлозы пока не выяснена. По-видимому, она зависит от морфологии волокна и его тонкой структуры и отчасти от химического состава древесины. Возможно, имеет значение и плотность древесины. Исследование этого вопроса имеет большое практическое значение для широкого использования лиственничной целлюлозы в производстве бумаги и картона. Однако уже сейчас лиственничная целлюлоза по абсолютной величине показателей механической прочности может быть пригодна для изготовления бумаги и картона.
Перспективно применение лиственничной целлюлозы для производства электроизоляционных видов бумаги. Кабельная бумага из лиственничной целлюлозы имеет меньшие диэлектрические потери, чем аналогичная бумага, сделанная из сосновой целлюлозы. Доказана принципиальная возможность изготовления тарного картона с использованием в композиции лиственничной целлюлозы нормального и повышенного выхода.
Небеленая сульфатная лиственничная целлюлоза имеет пониженные механические свойства по сравнению с такими свойствами сосновой целлюлозы. Однако при отбелке целлюлозы по схеме: хлорирование — щелочная обработка — гипохлоритная отбелка — отбелка двуокисью хлора — щелочная обработка — отбелка двуокисью хлора прочность целлюлозы снижается в среднем на 3—5% против 8—12% при отбелке сульфатной сосновой целлюлозы. В результате по уровню механических свойств она приближается к беленой сосновой целлюлозе одинаковой белизны.
Использование в производстве различных видов бумаги сульфатной беленой лиственничной целлюлозы как одной, так и в композиции с сульфитной беленой и коротковолокнистой беленой сульфатной лиственничной целлюлозой не вызывает отклонений в технологических режимах отлива и сушки бумаги. Однако при этом надо учитывать ее более трудную размалываемость.
Производство небеленой и беленой целлюлозы для бумаги и картона не обеспечивает комплексного химического использования всех элементов древесины лиственницы, в первую очередь ее гемицеллюлозной части, которая при существующих способах сульфатной варки разрушается и в виде составной части черного щелока сжигается в содорегенерационных котлах. Между тем часть гемицеллюлоз лиственницы может быть использована более эффективно, чем при сжигании. То же относится и к веществам фенольного характера, имеющимся в древесине, но до сих пор не используемым.
Для древесины лиственницы характерно большое количество водорастворимых веществ. Основную массу веществ составляет лиофильный полисахарид арабиногалактан. Его количество колеблется от 5 до 30% при среднем содержании 10—12% массы древесины. Арабиногалактан сосредоточен преимущественно в ядре, в заболони его обнаружено около 1—2%.
Помимо арабиногалактана древесина лиственницы содержит значительное количество флаваноидов, обычно от 0,5 до 2,5% от массы древесины при содержании дигидрокверцётина 75— 85% от суммы флаваноидов. Количество флаваноидов зависит от многих факторов: климатических условий, места произрастания и т. п. Флаваноиды, в основном дигидрокверцетин и кверцетин, хорошо растворяются в воде, поэтому при водной экстракции древесины они извлекаются одновременно с арабиногалактаном.
Флаваноиды и арабиногалактан являются весьма ценными продуктами, необходимыми для многих отраслей промышленности и медицины. Арабиногалактан может использоваться в качестве клеящего вещества и заменителя пищевых и животных клеев. Из продуктов его гидролиза можно также получить многоатомные спирты, главным образом дульцпт, и другие полезные продукты, в том числе этиловый спирт. Арабиногалактан может заменять гуммиарабик в текстильной, спичечной, полиграфической, пищевой, фармацевтической промышленностях. Из флаваноидных веществ наиболее важное значение имеют кверцетин и дигидрокверцетин, являющиеся хорошими антиоксидантами пищевых и некоторых технических продуктов. Р-витамииная активность флаваноидов позволяет использовать их при лечении ряда заболеваний, связанных с повышением хрупкости и проницаемости кровеносных сосудов.
Таким образом, при решении проблемы комплексной химической переработки древесины лиственницы одна из задач заключается в извлечении гемнцеллюлозной части и в первую очередь водорастворимых веществ с последующей их переработкой. Другой задачей должно быть получение высококачественной целлюлозы. Одно из рациональных направлений решения указанной проблемы — сульфатная варка с водным предгидролизом, предназначенная для получения целлюлозы, используемой в производстве кордного, штапельного, ацетатного и других волокон.
По сравнению с сосновой древесиной использование лиственницы в производстве целлюлозы для химической переработки обладает рядом преимуществ. В процессе водного предгидролиза водорастворимые вещества легко переходят в раствор. Вследствие этого выравнивается химический состав древесины (что особенно важно при варке древесины с различным содержанием водорастворимых веществ), направляемой на варку. В результате предгидролиза отпадает необходимость увеличения расхода щелочи. При обычной сульфатной варке избыток щелочи используется на нейтрализацию продуктов распада гемицеллюлоз. Специально обработанный предгидролизат служит сырьем для получения кормовых дрожжей. Разработан способ, позволяющий использовать отходы после производства дрожжей в качестве дополнительного источника корма для животноводства.
Сульфатная варка предгидролизоваиной древесины лиственницы дает химически чистую целлюлозу, равноценную, а по некоторым показателям и более качественную, чем сосновая целлюлоза.
Целлюлоза нз лиственницы отличается высоким содержанием альфа-целлюлозы и хорошей фильтруемостью вискозного раствора, выработанного из этой целлюлозы.
Лиственничная предгидролнзная целлюлоза имеет важную особенность — стабильность вязкости и содержания альфа-целлюлозы в процессе многоступенчатой отбелки. Это позволяет получать готовую продукцию более постоянного качества, чем продукция из сосны. Сравнительное изучение накопления низкополимерных фракций с СП ниже 200 в сосновой и лиственничной целлюлозе в процессе выделения целлюлозы из древесины, ее отбелки и других обработок показало, что лиственничная целлюлоза по этому показателю не отличается от сосновой целлюлозы.
Целлюлоза из лиственницы более, чем сосновая, устойчива к окислительной деструкции в процессе предсозревания. Вследствие удаления большого количества гемицеллюлоз в процессе водного предгидролиза и сульфатной варки ацетатные растворы из лиственничной целлюлозы получаются с высокой прозрачностью и вполне удовлетворительной фильтруемостью сиропа. Целлюлоза из лиственницы перерабатывается с такими же показателями качества получаемого сиропа и триацетата, как и из сосновой целлюлозы.
Лиственничная предгидролизная сульфатная целлюлоза пригодна и для переработки ее в штапельное волокно.
При водном предгидролизате, проходящем при высокой температуре (160—170°С), количество полимерного арабиногалактана, осаждаемого спиртом из раствора, резко уменьшается вследствие его деполимеризации и, кроме того, он загрязняется различными примесями, усложняющими его очистку. В результате ценное соединение не может эффективно использоваться для производства разнообразных продуктов. Не остаются неизменными и флаваноиды. Они претерпевают превращения, в результате которых их количество в растворе убывает более чем наполовину.
При получении сульфатной целлюлозы для химической переработки можно использовать водорастворимые вещества, если проводить водный предгидролиз в две ступени. Первая ступень предусматривает низкотемпературный предгидролиз или, иначе, экстрагирование древесины водой. При этом процессе существенно не разрушаются арабиногалактан и флаваноиды и в то же время извлекается значительная часть этих веществ. Во второй ступени осуществляется высокотемпературный предгидролиз, близкий по параметрам к обычному предгидролизу, принятому при сульфатной варке целлюлозы для химических волокон.
Сочетание предварительного извлечения водорастворимых веществ при низкой температуре и сульфатной варки позволяет не только получать арабиногалактан и флаваноиды, но и качественную целлюлозу для бумаги и картона.
При экстракции водой опилок лиственницы даурской в интервале температур 20—100° С основная масса веществ извлекается в первые 5—10 мин. Эффективность процесса зависит в основном от температуры экстракции и в меньшей степени от времени. Однако химический состав водных экстрактов оказывается более чувствительным к условиям экстракции. Повышение температуры экстракции увеличивает их выход, но одновременно вызывает деструкцию арабиногалактана, в результате которой его выход уменьшается, а выход не высаживаемых спиртом и редуцирующих веществ (до гидролиза) повышается. Количество извлекаемых водой фенольных веществ возрастает с повышением температуры. По-иному происходит извлечение водорастворимых веществ из щепы. Из-за относительно больших размеров щепы в этом случае преобладающую роль занимает процесс диффузии. Поэтому решающее влияние на выход растворимых веществ оказывает время реакции.
При различном содержании водорастворимых веществ количество их, перешедшее в раствор (в процентах к исходному количеству в древесине), оказывается одинаковым, хотя абсолютные значения и различны. Используя различные способы экстрагирования и их сочетания, можно достигнуть приемлемую степень извлечения, обеспечивающую экономичность этого процесса. Предварительное экстрагирование древесной щепы положительно влияет на процесс делигнификации лиственницы, что проявляется в уменьшении количества непровара в целлюлозе, а также в некотором снижении расхода активной щелочи для получения целлюлозы с заданной степенью провара.
При извлечении водой и водными растворами экстракта водорастворимых веществ процесс сульфатной варки происходит одинаково, о чем свидетельствуют данные по степени провара, содержанию лигнина в целлюлозе, непровару и выходу из древесины. Механические свойства целлюлозы при всех видах обработки не изменяются.
При отбелке целлюлозы по схеме X — Щ — Г — Д — Щ — Д лиственная целлюлоза в значительной степени сохраняет свои механические свойства. Бумагообразующие свойства лиственничной целлюлозы из незкстрагированной и экстрагированной щепы одинаковы.
Исследования и испытания, выполненные в лабораторных, полупроизводственных и промышленных условиях, показали возможность получения сульфатной лиственничной целлюлозы различного назначения: для бумаги, картона и химической переработки. Предварительное извлечение водорастворимых веществ из лиственницы при низкой температуре, т. е. водный предгидролиз перед сульфатной варкой, позволяет рационально использовать углеводную часть этой породы древесины и повысить эффективность процесса получения целлюлозы.