Основным веществом клеточных оболочек древесины является целлюлоза.
Целлюлоза относится к полисахаридам и имеет формулу (С6 Н10 O5) n, где n - коэфициент полимеризации.
Целлюлоза представляет собой весьма стойкое вещество, не растворимое в воде, спирте, эфире, ацетоне и других обычных органических растворителях. Она растворяется в аммиачном растворе окиси меди, в концентрированном растворе хлористого цинка, в горячем насыщенном растворе роданистого калия.
Содержание большого количества целлюлозы делает древесину основным источником сырья для получения технической целлюлозы, представляющей собой полуфабрикат в производстве бумаги.
Бумага может быть изготовлена из древесной массы и целлюлозы.
Древесная масса получается путем истирания древесины на дефибрерах, в которых древесина прижимается к вращающемуся камню, орошаемому водой. В результате получается волокнистая масса, содержащая все составные части клеточной оболочки (целлюлоза, лигнин, гемицеллюлозы). Эта масса очищается от щепок и пучков волокон в сортировках, сгущается до концентрации 5-6% и в таком виде поступает для производства бумаги. Если древесину предварительно пропарить под давлением 6 ат в течение 6-12 час. , она истирается значительно легче. Древесная масса получается при этом бурого цвета и употребляется для изготовления оберточной бумаги. Для производства древесной массы наиболее пригодна древесина ели, пихты, отчасти осины и тополя.
Получение целлюлозы
Промышленным методом целлюлозу получают методом варки щепы на целлюлозных заводах, входящих в промышленные комплексы (комбинаты).
Для получения целлюлозы измельченная древесина обрабатывается под давлением горячими кислыми или щелочными растворами, в которых растворяется лигнин и частично гемицеллюлоза, а целлюлоза остается.
По типу применяемых реагентов различают следующие способы варки целлюлозы:
1) Кислые:
- Сульфитный
Чаще всего производство целлюлозы по сульфитному (кислому) способу осуществляется из древесины ели. Предварительно чисто окоренная древесина измельчается до степени щепы размером 20-30 мм и загружается в железные котлы емкостью до 300 м3, выложенные кислотоупорными плитками. Варочный раствор содержит сернистую кислоту и её соль, например, гидросульфит натрия. Этот метод применяется для получения целлюлозы из малосмолистых пород древесины: ели, пихты. Например, варка производится в растворе бисульфита кальция Ca(HSO3)2.
По окончании варки целлюлоза очищается от примесей (сучки, щепки, песок и т. п. ).
2) Щелочные:
- Натронный
Используется раствор гидроксида натрия. Натронным способом можно получать целлюлозу из лиственных пород древесины и однолетних растений. Преимущество данного метода — отсутствие неприятного запаха соединений серы, недостатки — высокая стоимость получаемой целлюлозы.
- Сульфатный
По сульфатному (щелочному) способу варка производится в растворе едкого (NaOH) и сернистого (Na2S) натра, при этом может быть применена более смолистая древесина сосны.
В качестве реагента используют раствор, содержащий гидроксид и сульфид натрия, и называемый белым щёлоком. Своё название метод получил от сульфата натрия, из которого на целлюлозных комбинатах получают сульфид для белого щёлока. Метод пригоден для получения целлюлозы из любого вида растительного сырья. Недостатком его является выделение большого количества дурно пахнущих сернистых соединений: метилмеркаптана, диметилсульфида и др. в результате побочных реакций.
Получаемая после варки техническая целлюлоза содержит различные примеси: лигнин, гемицеллюлозы. Если целлюлоза предназначена для химической переработки (например, для получения искусственных волокон), то она подвергается облагораживанию — обработке холодным или горячим раствором щелочи для удаления гемицеллюлоз.
Для удаления остаточного лигнина и придания целлюлозе белизны проводится её отбелка.
Традиционная для XX века хлорная отбелка включала в себя две ступени:
- обработка хлором — для разрушения макромолекул лигнина;
- обработка щелочью (например, гипохлоритов калия и натрия) — для экстракции образовавшихся продуктов разрушения лигнина.
С 1970-х годов в практику вошла также отбелка озоном. В начале 1980-х годов появились сведения об образовании в процессе хлорной отбелки чрезвычайно опасных веществ — диоксинов. Это привело к необходимости замены хлора на другие реагенты. В настоящее время технологии отбелки подразделяются на:
ECF (Elemental chlorine free) — без использования элементарного хлора, с заменой его на диоксид хлора.
TCF (Total chlorine free) — полностью бесхлорная отбелка. Используются кислород, озон, пероксид водорода и другое.
Применение целлюлозы
Используется в качестве наполнителя в таблетках в фармацевтике. Целлюлозу и её эфиры используют для получения искусственного волокна (вискозного, ацетатного, медно-аммиачного шёлка, искусственного меха). Хлопок, состоящий большей частью из целлюлозы (до 99,5 %), идёт на изготовление тканей.
Древесная целлюлоза используется для производства бумаги, пластмасс, кино- и фотоплёнок, лаков, бездымного пороха итд.
При действии на целлюлозу минеральных кислот целлюлоза гидролизуется, превращаясь в конечном итоге в сахар.
Этот процесс называется кислым гидролизом, на нем основано получение из древесины ряда продуктов: кормового сахара, винного спирта (путем сбраживания сахара), кормовых и пищевых дрожжей (путем выращивания на растворах сахара), кристаллической глюкозы.
При действии на целлюлозу смеси азотной и серной кислот образуются азотнокислые эфиры, или нитраты целлюлозы.
(Нитрование — реакция введения нитрогруппы —NO2 в молекулы органических соединений.)
Низшим продуктом нитрования целлюлозы является коллодийная вата, из которой в дальнейшем могут быть получены коллодий, целлулоид, нитроцеллюлозные лаки, искусственный шелк.
Высшим продуктом нитрования является тринитрат целлюлозы, или пироксилин (взрывчатое вещество), для изготовления которого служит хлопковая целлюлоза; целлюлоза из древесины также может быть употреблена для этой цели, но лишь после повторной ее обработки (облагороженная целлюлоза).
Слабые растворы едких щелочей не вызывают изменений целлюлозы. Концентрированный (17-25%) раствор едкого натра NaOH превращает целлюлозу в алкалицеллюлозу, которая при действии сероуглерода (CS2) дает ксантогенат целлюлозы в виде оранжевой массы; при растворении его в 4%-ном растворе едкого натра NaOH получается густая, вязкая жидкость - вискоза, применяемая для получения искусственного шелка (вискозный шелк).
При действии на целлюлозу уксусного ангидрида (СНзСО)2О в присутствии серной кислоты или хлористого цинка (в качестве катализаторов) образуются уксусные эфиры целлюлозы, или ацетаты, в виде аморфного порошка белого цвета, растворимого в органических растворителях. В технике применяются вторичные ацетаты, растворимые в ацетоне, для производства искусственного шелка (ацетатный шелк), лаков, пластмасс и пр.
