Лигнин, строение, химический состав и свойства связи

Введение

Лигнин (от латинского lignum - дерево, древесина), природный полимер; входит в состав почти всех наземных растений и по распространенности среди природных высокомолекулярных соединений уступает только полисахаридам. Содержание лигнина в древесине хвойных и лиственных пород соответственно 23-38 и 14-25% по массе. Лигнин расположен в клеточных стенках и межклеточном пространстве растений и скрепляет целлюлозные волокна. Вместе с гемицеллюлозами он определяет механическую прочность стволов и стеблей. Кроме того, лигнин снижает проницаемость клеточных стенок для воды и питательных веществ. Лигнин - аморфное вещество от светло-кремового до темно-коричневого цвета (в зависимости от способа выделения); молекулярная масса от 1 до 150 тысяч, плотность 1,25-1,45 г/см3.
Лигнин выделяется в больших количествах (в СССР более 2 млн. т/год) как побочный продукт в основных лесохимических производствах - целлюлозном и гидролизном. Широкого применения он пока не получил. Сульфатный лигнин - наполнитель для полимерных материалов, сырье в производстве фенолоформальдегидных смол, компонент клеящих композиций в производстве картона и фанеры и др. Лигносульфонаты - сырье при получении понизителей вязкости глинистых растворов, синтетических дубящих веществ, ванилина, пластификаторы в производстве цемента и кирпича, литейные крепители и т.п. Гидролизный лигнин служит котельным топливом в лесохимических производствах, а также сырьем для получения гранулированного активного угля, пористого кирпича, удобрений, уксусной и щавелевой кислот, наполнителей (например, в производствах пластмасс), фенола и др.

В среднем содержание лигнина (%)в древесине ствола дуба скального находится в пределах 20,1—22,6, дуба черешчатого 20—22, бука 22—24; в коре ствола дуба скального 22—24, дуба черешчатого 20—22 и бука 23—24; в древесине сучьев бука скального 23—24%, дуба черешчатого 22,5—23,4 и бука 24—25; в коре сучьев дуба скального 23—24, дуба черешчатого 23—24 и бука 24—26; в листьях дуба скального 22,4, дуба черешчатого 21,1, бука 20,2. У ели европейской, пихты белой и сосны кедровой наблюдается такая же закономерность: минимальное количество лигнина содержится в древесине и коре V основания ствола, а максимальное — в древесине и коре вершины ствола.
Например, лигнина в древесине у основания ствола ели европейской содержится 22,6%, пихты — 24 и кедра — 26%, а в древесине вершины ствола соответственно 24,7, 26 и 27%.В коре основания ствола ели содержится 24% лигнина, пихты 24 и кедра — 27%; в коре вершины ствола соответственно 25,3, 26 и 29%. Наибольшее количество лигнина в древесине сучьев из нижней части кроны, а наименьшее — из верхней.
Так, в древесине сучьев из нижней части кроны ели 25,5% лигнина, пихты 26,6 и кедра 28%, из верхней части кроны соответственно 25, 26 и 27%.
В коре сучьев максимальное количество лигнина у пихты (27%), ели (26%) и кедра (29%) приходится на кору сучьев из средней части кроны, минимальное — у пихты (25%) и ели (26%) у сучьев из нижней части кроны, а у кедра (28%) у сучьев из верхней части кроны.

Целью настоящей курсовой работы является лигнин, его строение, химический состав и свойства связи.

Понятие о технической целлюлозе и сырьё для её производства.

Природная целлюлоза, или клетчатка, представляет собой естественный высокомолекулярный полисахарид, состоящий из цепевидных макромолекул, в основекоторых лежат элементарные звенья ангидро-D-глюкопиранозы, соединённые между собой-гликозидной связью .Число элементарных звеньев в макромолекуле, или средняя степень полимеризации, природной целлюлозы, по вискозиметрическому методу, составляет у хлопка 6000-6500, у льна 8000, у наиболее распространённых древесных пород - от 4000 до 5500. Целлюлоза относится к так называемым жесткоцепным полимерам, характеризуемым высокой степенью асимметрии макромолекул, высокой степенью ориентации и высокой интенсивностью межмолекулярного взаимодействия. Силы межмолекулярного взаимодействия и в первую очередь водородные связи удерживают параллельно расположенные цепевидные макромолекулы на строго определённых расстояниях друг от друга, что приводит к возникновению кристаллической структуры.

Природная целлюлоза, или клетчатка, является основным веществом из которого построены клеточные стенки растительных клеток, и растительное сырьё разных видов служит единственным источником промышленного производства целлюлозы. Процесс получения целлюлозы сводится к освобождению её от других сопровождающих её в растительной ткани веществ- лигнина, гемицеллюлоз, смол, жиров, танинов и т.д.-тем или иным способом химической обработки. Поскольку основным веществом, от которого стремятся освободится в результате такой обработки, является лигнин, процесс получения целлюлозы называютделигнификацией соответствующего растительного материала. Продукт делигнификации называется технической целлюлозой.

Естественно, что свойства технической целлюлозы изменяются в довольно широких пределах в зависимости от того, насколько полно в процессе химической обработки были отделены сопутствующие вещества, в частности лигнин, и в какой мере оказалась повреждена сама клетчатка. При соответствующем выборе сырья и изменении методов и условий обработки можно получить техническую целлюлозу, более или менее полно освобождённую от посторонних веществ и обладающую требуемыми свойствами.

Целлюлоза содержится в каждом растении ,однако далеко не каждое из них пригодно для промышленного извлечения из него целлюлозы.

Промышленное значение в производстве целлюлозы приобрели растения немногих видов. Из хвойных древесных пород наибольшее применение имеют ель, сосна, пихта, из лиственных - тополь разных видов, осина, берёза, бук и некоторые другие. Из недревесного сырья используется солома культурных злаков - ржи, пшеницы, ячменя, риса ,кукурузы и т.п.

К недревесному сырьюотносятся также хлопок, лен, конопля, джут и др., используемые преимущественно в виде текстильных отходов. Кроме того сырьём для получения целлюлозы могут служить и многочисленные дикорастущие однолетние растения - тростник, кендырь, чий и пр. Из хлопка благодаря высокому содержанию в нем клетчатки может быть получена весьма несложными методами наиболее чистая целлюлоза, применяемая для химической переработки. Тряпичную целлюлозу вследствие её дефицитности применяют лишь в производстве высокосортной бумаги. Древесина и смола - самое дешёвое и распространенное сырьё, несмотря на то, что получение из него целлюлозы требует более сложного технологического процесса.

Свойства технической целлюлозы и показатели её качества.

Для характеристики разнообразных свойств технической целлюлозы применяют большое число различных показателей.

Содержание лигнина устанавливается или методом непосредственного анализа, или, чаще, косвенными методами определения степени провара. Содержание лигнина или отвечающая ему степень провара целлюлозы - один из основных показателей, определяющих пригодность небеленой целлюлозы для производства тех или иных видов бумаги. В белёных целлюлозах содержание лигнина обычно не определяют, т.к. оно относительно не велико.Если целлюлоза предназначена для химической переработки, то присутствие в ней лигнина во многих случаях не допустимо.

Содержание пентозанов в небеленой целлюлозе находится в более или менее прямой зависимости от степени провара. В сульфитных небеленых целлюлозах пентозанов содержится обычно от 4 до 7%. Содержание их в сульфатных целлюлозах той же степени провара значительно выше и достигает, например, в обычной крфат-целлюлозе 10-11%, что объясняется стойкостью их против воздействия щелочного реагента в условиях варки. Повышенное содержание пентозанов наблюдается и в целлюлозе из древесины лиственных пород и в соломенной целлюлозе, что обусловлено большим содержанием их в исходном сырье.

Если целлюлоза предназначена для бумажного производства, то присутствиев ней пентозанов в целом благоприятно,т.к. способствует повышению механической прочности, улучшает проклейку и увеличивает набухаемость и способность полуфабриката к размолу. В целлюлозе же, предназначенной для химической переработки, пентозаны - нежелательная примесь. Они вызывают помутнение растворов эфиров целлюлозы, ломкость и пожелтение плёнок и лаков, в особенности в целлюлозах, предназначенных для ацетилирования или производства медноаммиачного шелка.

Содержание смолы, определяемое экстрагированием целлюлозы различными органическими растворителями ( эфиром, спиртом, ацетоном и т.п. ), в сульфитной хвойной целлюлозе довольно высокое, 1-1,5%, т.к. сульфитная кислота не растворяет смол. Наоборот, в целлюлозе щелочной варки благодаря растворяющему действию щелочи содержание смолы невелико и обычно не превышает 0,2-0,3%.

Если целлюлоза предназначена для бумажного производства, то имеет значение так называемая « вредная смолистость», вызывающая отложения липкой смолы на размольной аппаратуре и на сетке бумагоделательной машины. Весьма нежелательно, а во многих случаях и совершенно не допустимо наличие смолы и в целлюлозах, предназначенных для химической переработки. Для некоторых облагороженных целлюлоз приходится особыми методами обработки добиваться снижения содержания смолы до сотых долей процента, что способствует получению светлых и прозрачных эфиров.

Зольность целлюлозы вызывается присутствием в ней минеральных веществ, содержащихся в исходном сырье и в химических реагентах, применяемых для варки целлюлозы. Особенно высокую зольность (3-4%) имеет соломенная целлюлоза вследствие большого содержания золы в исходном сырье, тогда как в древесных целлюлозах содержание золы обычно составляет 0,3-0,5%.Зольность не имеет особого значения для целлюлозы, предназначенной для бумажного производства, за исключением случаев изготовления некоторых специальных видов бумаги (фильтровальных, фотографических, электроизоляционных и т.д.), но она является одним из важных показателей целлюлоз для химической переработки. В этом случае имеет значение не только общее содержание золы, но и ее состав. Особенно не желательно наличие кремнекислоты и солей щелочноземельных металлов, тогда как соли натрия, например, на фильтруемость вискозы большого влияния не оказывают.

Альфа - целлюлоза представляет собой стойкую часть целлюлозы, нерастворимую в 17,5%-ном растворе едкого натра, которую принято условно отождествлять с клетчаткой. Определение ее в небеленых целлюлозах, содержащих значительное количество лигнина, нуждается в пропарке на содержание лигнина. Для беленой целлюлозы значение этого показателя несомненно, т.к. он характеризует степень ее освобождения от гемицеллюлоз и низкомолекулярных фракции целлюлозы.

В целлюлозах, предназначенных для химической переработки, содержание альфа - целлюлозы является одним из основных показателей. Высокое содержание альфа - целлюлозы может быть достигнуто лишь специальными приемами облагораживания. Кроме содержания альфа - целлюлозы, в облагороженных целлюлозах часто нормируется также содержание бета - целлюлозы, отождествляемое с низкомолекулярной фракцией целлюлозы.

Медное число характеризует восстановительную способность целлюлозы, обусловленную наличием продуктов ее окисления и гидролиза. Определение производится в щелочном раствореолей окиси меди, восстановленных при этом в соли закиси. Для мягких целлюлоз медное число всегда выше, чем для жестких, а для беленых выше, чем для небеленых. Целлюлоза щелочных варок характеризуется более низким медным числом (около 1,0) по сравнению с сульфитной (1,5-2,5). Облагораживанием целлюлозы можно добиться значительного понижения медного числа.

Вязкость растворов целлюлозы или ее производных- один из важнейших показателей, характеризующих поведение целлюлозы при ее химической переработке. Вязкость целлюлозы неизбежно понижается в процессе варки и отбелки. Наоборот, в процессе облагораживания целлюлозы, сопровождаемом удалением низкомолекулярных веществ, вязкость ее растворов возрастает. Это свойство имеет особенно большое значение в производстве вискозной целлюлозы.

Степень полимеризации обычно вычисляют на основе вискозиметрических определений. Разработан ряд методов определения степени полимеризации в разбавленных растворах целлюлозы (например, нитроцеллюлозы в ацетоне). Полученные этими методами показатели дают представление о средней степени полимеризации.

Целлюлоза обычно весьма неоднородна и представляет собой смесь высоко- и низкополимерныхфракций, относительное содержание которых может оказывать существенное влияние на свойства целлюлозы и ее поведение при последующей химической переработке. Поэтому для характеристики целлюлозы все большее значение приобретают методы фракционного растворения с распределением на группы, отличающиеся одна от другой по степени полимеризации.

Механические прочностные свойства целлюлозы представляют весьма важный показатель для характеристики целлюлозы. Определяются они на специальной стандартной аппаратуре в условиях постоянной температуры и влажности воздуха на образцах в виде листков определённой массы квадратного метра.

Из механических свойств целлюлозы чаще всего определяют сопротивление разрыву, изгибу, продавливанию и надрыву или раздиранию.

Для жестких целлюлоз по мере удаления лигнина до содержания около 4-5% механическая прочность целлюлозы обычно возрастает, а затем при переходе от жестких целлюлоз к мягким уменьшается. Наблюдается также понижение механической прочности и при дальнейшем удалении лигнина отбелкой, вследствие чего в стандартах на беленую целлюлозу обычно указываются показатели механической прочности более низкие, чем для небеленой целлюлозы.

Сорность целлюлозы определяется подсчетом соринок с обеих сторон смоченного образца целлюлозной папки при просвечивании его источником света определенной силы и выражается числом соринок, отнесенных к 1 мповерхности. Источником сора в целлюлозе являются частички коры и луба и так называемая костра, представляющая собой темные волоконца и их пучки, отцепившиеся от сучков и непроварившейся древесины, а также зерна минеральных включений, частицы угольной пыли, скопления смолы или слизи и т.п.

Высокая чистота требуется в целлюлозе, предназначенной для химической переработки.

Цвет целлюлозы не имеет решающего значения и обычно не нормируется для небеленых целлюлоз, всегда имеющих сероватый оттенок разной степени при сульфитном способеи более или менее темный коричневый - при сульфатном. Наоборот, для целлюлоз беленых и облагороженных белизна является важным показателем качества.

Кратко охарактеризованные показатели качества далеко не исчерпывают всех свойств целлюлозы. В отдельных случаях нужны еще дополнительные определения, например углеводного состава, впитывающей способности, способности к набуханию, к пергаментации, реакционной способности, фильтруемости, прозрачности растворов целлюлозы и т.п.