В последние годы наблюдается повышенный интерес к поиску возобновляемых устойчивых новых видов целлюлозного сырья (энергетических растений и отходов сельского хозяйства), которые могли бы стать источником топлива, химических веществ, материалов и энергии. Активно обсуждаются вопросы замены традиционной целлюлозы на недревесные источники в целлюлозно-бумажной промышленности [1, 5, 13, 14, 15]. Есть мнение, что разработка способов получения недревесной целлюлозы – основного компонента отдельных сортов бумаги – может способствовать рентабельности биорефайнинга, направленного, в основном, на получение ценных низкомолекулярных продуктов.

Особое место среди ежегодно возобновляемых энергетических растений занимает древовидная трава мискантус, которая может быть использована в качестве сырья для бумаги [2, 5]. Но поскольку известно, что химические составы листа и стебля мискантуса различаются [6], то необходимо было сравнить показатели качества целлюлозы, полученной одним и тем же способом из различных частей растения, с последующим сравнением и лабораторных образцов бумаги. Актуальность данных исследований обоснована высоким массовым содержанием листа в урожае мискантуса в первые пять лет плодоносящей плантации. Целью данной работы является сравнение качества образцов бумаги, полученных из листа и стебля мискантуса.

Материалы и методы исследования

Сырьем для выделения целлюлозы являлся мискантус сорта Сорановский – Miscanthus sinensis – Andersson, урожая 2013 года, возрастом плантации 3 года [4]. Растение разделили на лист и стебель, измельчили каждый морфологический вид отдельно, затем получили образцы целлюлозы комбинированным способом. Комбинированный способ заключается в последовательной обработке измельченного сырья разбавленными растворами гидроксида натрия и азотной кислоты при температуре 90–96 °С при атмосферном давлении [3]. Образцы целлюлозы, выделенные комбинированным способом отдельно из листа и стебля мискантуса, анализировали по стандартным методикам [11]: зольность, массовая доля (м.д.) остаточного (кислотонерастворимого) лигнина, м.д. α-целлюлозы, м.д. пентозанов с использованием Fe-орсинового реактива и степень полимеризации (СП) вискозиметрическим методом в кадоксене.

Определение структурно-размерных характеристик волокон целлюлозы, получение лабораторных образцов бумаги и определение их основных показателей качества проводили в Инновационно-технологическом центре «Современные технологии переработки биоресурсов Севера» САФУ (г. Архангельск). Фракционный состав волокна проводили на приборе Fiber Tester. Для микрофотографирования волокон использовали универсальный микроскоп проходящего и отраженного света для медико-биологических исследований серии «Axio Imager» (окрашивающий реактив Херцберга (раствор хлор-цинк-йода). Размол образца целлюлозы проводили в центробежном размалывающем аппарате (ЦРА) Jokro Mill. Изготовление лабораторных образцов бумаги массой
75 г/м2 производили на листоотливном аппарате системы «Rapid-Köthen», процесс размола контролировали путем определения степени помола массы.

Показатели качества лабораторных образцов бумаги определяли по стандартным методам, соответствующим ГОСТ: толщину образца – на приборе ТМБ-5-А с цифровым блоком регистрации (ГОСТ 27015-86); прочность на разрыв и удлинение при растяжении – на приборе Тест-система 105 (ГОСТ 13525.1−79); сопротивление продавливанию – на приборе Lorentzen&Wettre Bursting Strength Tester-CODE180 (ГОСТ 13525.8-86).

Результаты исследования и их обсуждение

Характеристики образцов целлюлозы, полученных комбинированным способом из листа и стебля мискантуса, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики образцов целлюлозы, полученных комбинированным способом из листа и стебля мискантуса

Примечание. * – в пересчете на а.с.с., СП – степень полимеризации.

Сравнение представленных результатов позволяет сделать вывод, что из стебля мискантуса была выделена целлюлоза более качественная, чем из листа, а именно: м.д. α-целлюлозы – 90,1 % против 88,5 %, суммарное содержание нежелательных нецеллюлозных компонентов – золы и лигнина – 0,85 % против 4,68 % соответственно. Очевидна более высокая СП целлюлозы из стебля: 1110 против 640. Такие различия в характеристиках целлюлозы согласуются с данными об особенностях химического состава разных морфологических частей мискантуса [6]. Высокое содержание пентозанов в обоих образцах целлюлозы в диапазоне 7,7–10,3 % не оказывает негативного влияния при использовании целлюлозы в бумажной промышленности, поскольку пентозаны способствуют повышению механической прочности, улучшают проклейку и размалываемость целлюлозы. Таким образом, более полное сохранение пентозанов в целлюлозе для производства бумаги и картона благоприятно сказывается на качестве продукции [10]. Следует отметить более высокий выход целлюлозы из стебля, чем целлюлозы из листа: 46,3 % против 35,2 % в пересчете на сырье, соответственно.

Поскольку разбавленные растворы азотной кислоты при кипячении обладают отбеливающим эффектом [7], была определена белизна целлюлозы, которая составила 55 % для целлюлозы из листа и 69 % для целлюлозы из стебля.

Так как образцы целлюлозы для изготовления лабораторных образцов бумаги были предоставлены в сухом виде (коэффициент сухости – 0,96), то перед размолом их замачивали в щелочной среде (рН 9,0) в течение 12 часов. После замачивания образцы размалывались в аппарате ЦРА до степени помола 45°ШР для целлюлозы из листа и 55°ШР для целлюлозы из стебля.

На рисунке представлены микрофотографии волокон, размолотых образцов целлюлозы из листа (а) и стебля (б) мискантуса.

а б

Микрофотографии волокон, размолотых образцов целлюлозы из листа (а) и стебля (б) мискантуса.

Таблица 2

Структурно-размерные характеристики волокон целлюлозы из листа и стебля мискантуса

Волокна целлюлозы из листа и стебля имеют принципиальные отличия. Волокна целлюлозы листа имеют разнородную структуру комочков, палочек и различных завитков между собой. В то время как волокна целлюлозы стебля представляют собой плоские, вытянутые, прямоугольные волокна различного размера.

В табл. 2 представлены структурно-размерные характеристики волокон целлюлозы из листа и стебля мискантуса.

Сравнение структурно-размерных характеристик целлюлозы из листа и стебля мискантуса показало их схожесть, с небольшим преимуществом показателей у целлюлозы из стебля. Волокна целлюлозы из мискантуса обладают небольшой длиной и шириной, однако длина волокна целлюлозы из стебля больше длины волокна из листа мискантуса – 0,369 мм против 0,331 мм, аналогичные показатели по ширине волокон – 22,4 мкм против 20,2 мкм соответственно. По своей длине и ширине волокна целлюлозы из мискантуса сопоставимы с волокнами промышленной целлюлозной фракции и либриформными волокнами лиственных пород древесины [12]. Грубость данных волокон находится на уровне 63,9–64,1 Дг и попадает в требуемый диапазон для лиственной целлюлозы нормального выхода (55–70 Дг). Деформированность волокна листа выше в 1,7 раза деформированности волокна стебля (число изломов 0,321 и 0,185 на мм соответственно). Следует отметить, что исследования подобного рода необходимо проводить на влажных образцах целлюлозы для предотвращения усадки волокон во время сушки. Однако в нашем случае образцы были переданы для испытаний в сухом виде, что могло привести к заниженным результатам [8]. Тем не менее, из указанных образцов были изготовлены лабораторные образцы бумаги и определены их прочностные показатели. В табл. 3 приведены основные показатели качества лабораторных образцов бумаги, полученных из листа и стебля мискантуса.

Сравнивая полученные данные, можно сделать вывод о схожести большинства основных показателей качества лабораторных образцов бумаги из целлюлозы листа и стебля мискантуса. Однако, образец бумаги из стебля мискантуса значительно превышает образец из листа по разрывной длине (более чем в 2,6 раза) и сопротивлению продавливанию (в 1,6 раза).

В сравнении с бумагой из древесной целлюлозы лабораторные образцы бумаги из мискантуса характеризуются более низкими показателями прочности, что обусловлено свойствами исходного сырья, поскольку показатели сопротивления продавливанию и сопротивления раздиранию в существенной мере зависят от длины волокна [9, 12].

Таблица 3

Основные показатели качества лабораторных образцов бумаги, полученных из листа и стебля мискантуса

При достаточно низкой работе разрушения (10,37–11,04 Дж/м2) образцы обладают сравнительно высокими показателями деформации (0,80–0,84 %). Известно, что бумага, обладающая повышенными показателями деформативности, может быть востребована для особых сортов бумаги, разрыв которой гарантирует четкий след повреждения [2]. С учетом факта, что результаты, представленные в данной работе, были получены из высушенных образцов целлюлозы, что могло привести к заниженным показателям качества лабораторных образцов бумаги, необходимо продолжить исследования в данной области, исключив стадию высушивания образца целлюлозы перед размолом.

Выводы

Проведены исследования качества образцов бумаги, полученных комбинированным способом из листа и стебля мискантуса. Определены структурно-размерные характеристики образцов целлюлозы из листа и стебля мискантуса. Установлено, что длина волокна целлюлозы из стебля выше длины волокна листа из мискантуса – 0,369 мм против 0,331 мм, а деформированность выше у волокна листа, чем у волокна стебля в 1,7 раза. Остальные структурно-размерные характеристики образцов
очень схожи.

Сравнение показателей качества лабораторных листов бумаги из целлюлозы листа и стебля мискантуса позволило установить, что образец бумаги из стебля мискантуса значительно превышает образец из листа по разрывной длине 3200 м против 1200 м и сопротивлению продавливанию (110 мН против 67 мН). Отмечен невысокий уровень показателей прочности, что обусловлено особенностями исходного сырья. Обнаружено, что короткие и деформированные волокна целлюлозы мискантуса характеризуются низкой способностью к связе-
образованию, что позволяет предположить возможность использования данной целлюлозы для особых сортов бумаги, гарантирующей четкую высечку при повреждении.

На основании вышеизложенного, можно сделать вывод о перспективности российского мискантуса, независимо от соотношения листа и стебля в конкретном урожае, в качестве сырья для отдельных видов бумаги в целлюлозно-бумажной промышленности.

Выражаю огромную благодарность инновационно-технологическому центру «Современные технологии переработки биоресурсов Севера» САФУ (г. Архангельск) за определение структурно-размерных характеристик волокон целлюлозы из листа и стебля мискантуса, получение лабораторных образцов бумаги и определение их основных показателей качества.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Главного управления экономики и инвестиций Алтайского края в рамках научного проекта РФФИ № 16-48-220983 «р_сибирь_а».