автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка физико-химического способа получения волокна из луба кенафа и конопли

?Г6 од

г г ! 1 "( I ' " ":

комитет по шсшеи школе ¿шистерстм науки, шсшей школы и технической политики российской фвдерации

костромской ордена трудового красного знамени ' . технологический институт

На правах рукописи. УДК 677.II.02I.I5I.

I

ВОРОБЬЕВА ИНЕССА ГЕННАДЬЕВНА

разработка физико-химического способа получения волокна из луба кенафа и конопли

Специальность 05:19.02 - первичная обработка

текстильного сырья

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата, технических наук

I

Кострома 1993

Работа выполнена в Костромском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте

Научный руководитель,

доктор технических наук, профессор

Л. и. Ипатов

Консультант,

кандидат технических наук, доцент Официальные оппоненты: доктор технических наук кандидат технических наук

А. А. Гурусова

Е.Л'. Пашин Ю.Р. Ячменева

Ведущее предприятие - Ьрюховецкий пенькозавод

Краснодарского края.

' * **

Защита состоится " У " 1993 года часов

заседании специализированного Совета Д.063.89.01 Костромского ордена Трудового Красного Знамени технологического института

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

'Отзывы на авто|5еферат, завереннве подписью и печатью, в двух экземплярах проск..! направлять в Совет института по адресу: 156021 г. Кострома, ул. Дзержинского, 17 .

Автореферат разослан " " г.

Ученый секретарь специализированного совета

доктор технических наук ^^б^есС^-И.В. ДУстгаРтен

ОЫфШ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В настоящее время для получения тресты кенафа и конопли луб и солому этих культур подвергают мочке как х.о-додноводной, так и тепловой. В этом случае получают волокно более высокого качества.

Однако существующие способы мочки требуют больших производственных- помещений, значительных энергозатрат, повышенного потребления чистой воды и дорогостоящих очистных сооружений. Кроме того, существующая технология имеет большое количество операций, требующих значительных затрат тяжелого физического труда, при этом • условия труда не являются привлекательными. Механизация и автоматизация производства на базе существующей технологии обеспечивает лишь тостую замену человеческих рук, требует значительных капиталовложений и не дает положительных экономических результатов. По- ' лучаемое волокно имеет различную прочность по длине и неравномерность по цвету, что ухудшает его прядильную способность.

В связи с отим разработка более эффективного способа получений волокна кенафа и конопли путем варки луба с использованием химических реагентов является актуальной задачей. При этом эффективность предлагаемой технологии должна определяться повышением качества получаемого волокна, возможностью комплексной механизации и автоматизации и экологической чистотой Технологического процесса получения длинного волокна.

Настоящая диссертационная работа выполнена на основании научно-технической программы "Русский лен", выполняемой по Приказу Госкомитета РС<»>СР по делам науки и высшей школы I' 426 от Ой.05.91г., тема 70 - ШИ - 91 "Исследование способа, получения волокна путем варки- луба конопли в растворах минеральных солей", а также на основании договора по теме 36 - НИ - 91 "Разработка и исследование технологии получения пенькового волокна путем варки луба конопли в водном растворе гидрофосфата аммония", заключенного с Брюховец-ким пенькозаводом Краснодарского края 01.06.91 г.

übJIb ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью исследования является разработка технологического режима получения волокна кенафа и конопли На луба варкой в растворе гидрофосфата аммония для интенсификации процессов первичной обработки кенафа и конопли и повышения качества получаемого волокна.

Для достиже)„1я поставленной цели необходимо: • - рассмотреть особенности анатомического строения и химического ' состава стебля кенафа и конопли в сравнении со льном;

- обосновать выбор химического реагента для растворения пектиновых веществ луба кенафа и конопли;

- исследовать влияние влажности на механические характеристики лу-<■ ба и волокна конопли для обоснования возможности их обработки по

"ченафной" технологии;

- изучить природу низкомолекулярных фенольных соединений луба кенафа i. конопли ч обосновать возможность проведения их варки в одну ста-ию;

и- исследовать физико-химические закономерности процесса растворения пектиновых веществ луба кенг }>а и конопли и выбрать, оптимальные условия;

--исследоиать свойства волокна кенафа и конопли, полученного варкой в растворах гидрофосфата аммония;

- йссЛедовать процесс многократного использования варочной жидкости с различной степень« ее регенерации;

лровести производственные испытания физико-химического способа долучсдия волокна кенафа и конопли.

МЕТОДА ШУЩДОН&ШЫ. Основываясь на современных представлениях, рассмотрены особенности анатомического строения и химического состава стебля "енафа и коно^гл,' зависимость физико-механических св^Чств природных целлюлозных волокон от влажности.

1:ри проЕ дении экспериментальных исследований использовали:

- классические методы химического анализа основных компонентов луба и волокна кенафа и конопли - пектиновых веществ, гемицеллю-лоэ, целлюлозы, лигнина;

- спектрофотометрический метод анализа углеводов и уроновых кислот;

- летод ультрафиолетовой и инфракрасной спектроскопии при анализе фенольных соединений.

Оценку качества получаемого волокна проводили инструментальными методами в соответствии с существующими ГОСТами.

Оценка качества волокна , конопли проводилась в лаборатории отдела технологии и стандартизации института лубяных культур Украинской академии аграрных наук.

.Обработка результатов эксперимента выполнялась в соответствии с методами математической статистики. Для проведения необходимых расчетов использована ЗВМ "Искра - 1030".

НАУЧНАЯ НОйнЗНА. Установлена возможность использования ридро-фосфата аммония при получении волокна .кенафа и конопли способом варки их_ луба в водных растворах этой соли."

Доказана возможность обработки луба конопли, вываренного в растворе гидрофосфата аммония, по "кенафной" технологии.* .

На основании исследования природы низкомолекулярных водорастворимых фенольных соединений луба кенафа и конопли установлена возможность проведения процесса варки в одну стадию, без их предварительной экстракции.

Выявлены кинетические закономерности процесса растворения пектиновых веществ луба кенафа и конопли в растворах гидрофосфата аммония.

Исследованы закономерности процесса многократного использования варочного раствора.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. На основании проведенных исследований разработан технологический" режим варки луба кенафа и конопли с использованием водных раство~ ров гидрофосфата аммония. . ;

Использование данного режима при варках луба кенафа позво- '. ляет получать волокно высокого качества (I сорт). Разработанный 1 режим варки использован при проектировании завода по получению волокна кенафа способом варки в растворе гидрофосфата аммония.

Разработан режим варки луба конопли в раствора гидрофосфата аммония с последующей обработкой по "кенафной" технологии. Данный режим позволяет получать волокно с равномерными свойствами по вси? длине и сохранить природные свойства волокна. Брюховецкий пенькозавод Краснодарского края заинтересован в проведении работ по энной тематике и считает возможным использование разработанного • 'хнологического процесса на своей производственной базе.

о

■ АДРОЫЩ"л РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на ХХХИа (1990) и ХХХГУ (1991) научных конференциях профессоров преподавательского коллектива, научных .сотрудников и аспирантов Костромского технологического института;

- на заседании кафедры технологии производства лубяных волокон Костромского технологического института в 1992» 1993 гг.;

- на республиканской научно-технической конференции "Пути совер-ц: знствования технологии и оборудования для переработки льняных, хлопко- -ях и химических волокон и льняной отрасли промышленности

• 1Лс I - 92)", 1992 г., г. Кострома;

- на заседании секции сырья, приборов и технологии лубяных волокон Ученого совета НПО "Хлопкопром", г. Ташкент, 1992 г.;

- -на заседании отдела технологии и стандартизации института лубяных культур Украинской академии аграрных-наук, г. 1'лухов, 1993 г.

11УБЛИКАЦ..Л. По материалам диссертации опубликовано пять печатньг' работ.

СТРУКТУРА И ОЬЬЫ РАЬч.хи. Работа содержит введение, четыре главы, заключение, список использованных источников и приложения. ОбьвУ! работы составляет страниц машинописного текста.

СОДЬПаАНШ РАБ0Ш

ВВВДШИК содержит >.„основание актуальности работы, указана цель, задачи и методы исследования, отмечена научная новизна и практическая ценность работы.

В ШРВОЛ "ЛАЬС рассмотрены и обощены литературные данные об особенностях морфологического и анатомического строения стеблей кенафа и конопли, а также их химического состава в сравнении со льном. Приведена характеристика существующих способов приготовления тресты лубоволокнистых растений.

■ Показаны основные элементы внутреннего строения стебля кенафа и конопли, их расположение и размеры. Особое внимание уделено Строению элементарных и технических волокон. Наряду со сходством в анатомическом строении со стеблем льна, к анатомическим особе'

ностям конопли и кенафа откосятся большая степень развития покровных и механических тканей, а также неоднородность технических волокон в своей массе, что объясняется влиянием неоднородности сырья, специфический расположением волокон в стеблях и наличием так на-^ зываемого вторичного волокна, а также природной неровнотой прочисти волокон по длине стебля.

•Представлены современные взгляды о химическом составе и строении- основных компонентов стебля кенафа и конопли в сравнении со льном. В их состав входят аналогичные органические соединения: . высокомолекулярные - целлюлоза, гемицеллюлоза, пектиновые ззещестб», лигнин; низкомол'екулярные - фенольные соединения, липиды и др. При рассмотрении высокомолекулярных компонентов показано их количественное содержание в лубяной части стебля, отличающееся от такового льна, строение полимерных цепей, природа межмолекулярных сил и фазовое состояние, физические и химические свойства^ осо- 1 бенности расположения в клеточной стенке элементарных волокон и межклеточном пространстве, т.е. основные факторы, определяющие механические и Технологические свойства высокомолекулярных соединений и существенно влияющих на выбор режима обработки лубяного сырья.

Особое внимание уделено лигнину, который играет значительную роль в армировании целлюлозных волокон. Микроскопические наблюдения показывают, что лигнин может накапливаться во всех частях клеточных стенок, меньше во внутренних, больше в наружных, в основном же он залегает в срединных пластинках, представляя часто сшитую сетку. Высокой степенью одревеснения срединных пластинок объясняют способность волокон кенафа переносить мокрые обработки, не разрушаясь.

Важную роль в жизни растений играют ниэкомолекулярные фенольные соединения, участвующие в процессе дыхания растений. Рассмотре-*а их классификация и химические свойства, к важнейшим из которых относится способность конденсируемых фенольных соединения при по-зышенной температуре и влажности вступать во взаимодействие с обра-юванием темноокрашенных веществ лигноподобной природы, оказывпю-цих отрицательное влияние на качество волокна. В связи с этим при

азработке новых режимов получения'волокна кенафа и конопли нсоб-одимо более глубокое изучение фенольных соединений этих культур с елью предотвращения их негативного влияния на качество получаемого .' элокна.

ь

Имегаг'еся особенности в анатомическом строении и химическом J составе оказывают значительное влияние на свойства волокна, получаемого различт-ми способами первичной обработки данных культур. ' С учетом влияния этих особенностей приведена краткая характеристика существующих способов изготовления тресты конопли и кенафа -расстила, биолог..ческой мочки, пропаривания'.

Показаны основные недостатки биологических способов (расстила и мочки), которая не позволяют сократить продолжительность производственного процесса и получать волокно с выравненными по длине стеиля свойствами. Вследствие очень плотного расположения волок-».исть'к пучков в стебле конопли при биологической мочке не происхо-.. дит достаточного расщепления волокнистого слоя на отдельные пучки, что значительно снижает прядильные свойства волокна.

°ассмотрены физико-химические закономерности процесса пропа-' риЕзк ;л, к которым относятся преимущественный распад гетцеллюлоз

и белков, инактивация лигнина, конденсация продуктов гидролиза, .деструкция целлюлозы, не позволяющие повысить качество паренцо-

воло ВОЛОКНЕ.

Ранее проведенными исследованиями доказано, что для правильно-• г.о построение процесс*, приготовления тресты лубоволокнистых растений необходимо разрушить только пектиновые вещества срединных пластинок гчренхимных тканей, не затрагивая при этом другие химические компоненты. Целенаправленно влиять на изменение химического состава волокна в n¿ -цессе его приготовления bl jkcwho лишь на основе применен, „ч химических реагентов. Все существующие способы получения тресты с использованием химических реагентов можно разделить на три группы. Первая основана на том, что удаление компонентов клеящего комплекса достигается путем набухания сырья и последующего выдавливания при механическс..! отжиме. Но атому принципу созданы конвейерные поточные линии КУШ! - IUU Л и iü'íjJí - izo Л.

Вторая -рупла физико-химических способов основана на ослаблении связей лубяных пучков с паренхимными тканями за счет выделения газов, образующихся внутри стебля при взаимодействии химических реагентов. Показаны недостатки этих способов.

Третья группа основана на химическом разрушении компонентов клеящего комплекса в "одных растворах с низкой концентрацией хи-миоских реагентов. J этой целью можно использовать разбавленные ■ растворы khcj.ot, щелочей, солей. Разобран механизм химических

реакций и показаны побочные явления, снижающие качество оолоки'.

Наиболее рационг~ьным способом удаления пектиновых веществ является их растворение под действием водкых растворов солей в средах, близких к нейтральным за счет перевода'.нерастворимого пек-тата кальция и магния в растворимый пектат аммония. Для этого следует применять соли, анионы и катионы которых соответствуют ела-, бым кислотам и основаниям, образующимся при их 1идролиге.в водных растворах. Учитывая требования, предъявляемы- к химическим реагентам при варках лубяного сырья (доступность, г>к 1ло; ическа«'безопасность, дешевизна), доказано, что им удовлетворяет гидрофосфат ам мония. Водные растворы этой соли имеют среду, Злизкую к нейтральной, поэтому другие высокомолекулярные компоненты волокна практически не затрагиваются, не происходит коррозии оборудования, реагент позволяет обеспечить нормальные условия на производстве и проявляет устойчивость в процессе, регенерации варочных растворов.

В последние годы гидрофосфат аммония широко исследс^ался в качестве химического реагента для получения льнотресты. На основании проведенных исследований предложен технологический режим получения тресты, включающий две стадии - варку льносоломы в растворе ' соды Ь г/л и гидрофосфата аммония Ь г/л, позволяющий сохрани .> природное качество волокна. Рассмотрены причины, затрудняющие реализацию данного способа в промышленных: условиях. Показано,, чт<^ варку сырья экономически целесообразно проводить на обогащенном сырье с последующей обработкой трепание1" с одновременной промывкой,'что ликвидирует энергоемкую операцию сушки мокрого луба перед механической обработг'Л и способствует наиболее полному удалению пектата-аммония, имещьго после варки структуру геля. По "мокрой" технологии в настоящее время обрабатывается только луб кенафа,

В связи с доказательством возможности обработки луба конопли трепанием с одновременной промывкой, рассмотрены общие закономерности взаимодействия целлюлозных волокон с водой и изменение, их физико-механических свойств под действием влаги. Показано, что механические свойства целлюлозных волокон в сухом остоянии определяются, главны..! образом, плотностью сетки водородных связей. ВзаимодьЯствие целлюлозы с водой обусловлено наличием в ней функциональных групп ОН", способных к гидратации. Сорбция воды происходит только в аморф-' ных участках, что приводит к увеличению надмолекулярной упорядоченности, повышении плотности водородных свя-

зей и увеличению прочности до определенного предела увеличения

влажности волокнист jro материала.

Рассмотрены приыины незначительного изменения механических свойств волокна кенафа во влажном состоянии.. Техническое волокно кенафа состоит иа очень коротких элементарных волокон с лигни-фицированными вторичными стенками, соединенными одревесневшими срединными пластинками (степень одревеснения 75 - 85 %). При Mexi нических нагрузках разрушение технического волокна происходит за счет разрушения срединных пластинок. Являясь гидрофобным' соединением, лигнин препятствует проникновению молекул воды в аморфные участки микрофибрилл целлюлозы и тенденции перехода к состоянию более высокой организованности. Таким образом, при увеличении от: носительной влажности волокна кенафа механические свойства его н< будут значительно изменяться,■во-первых, вследствие сильного одр веснення срединных пластинок, так как разветвленная трехмерная структура лигнина не претерпевает каких-либо физических или химических изменений под действием воды, во-вторых, вследствие сильн( одревеснения волокна, так. как лигнин будет препятствовать повышению степени кристалличности волокна. Следовательно, свойства вол< на кенафа во влажном состоянии изменяются незначительно.

На основании высоких значений степени одревеснения срединньп дшастинок волокна конопли (70 - Ь0 %) высказано предположение об аналогичном поведении луба и волокна конопли во влажном состояни) что позволит обрабатывать эту культуру л^сле варки по кенафной технологии.

faO ЬТОРОа ГЛАВь йсследовано влияние влажности на механичесю свойства луба и волокна конопли, полученного способом фосфатной варки. Для исследования выбрани сорта конопли Днепровская однодо] ная - ó, JOCO - 14, Ермаковская местная. Показано, что при увелич! нии относительно;; влажности в среднем с 12 до 60 % происходит увеличение разрывного усилия луба конопли на 13,6 - 19,5 %, боло: на - 17,02 - 33 %, что связано, по-видимому, с повышением плотности водородных связей под действием молекул воды в аморфных обла< тях целлюлозы.

При увеличении влажности луба свыше 200 % происходит некото; снижение разрывного усилия по сравнению с его исходными значения• ми в среднем на 6,6 - 14,ЬЗ %, а волокна - на 6,19 - 10,63 %; Аналогичным образом изменяется разрывное усилие волокна кенафа, обрабатываемого по "мокрой" технологии. Оно уменьшается на 12,34 ¿алая потеря разрывного усилия луба и волокна конопли и кенафа

пленном состоянии определяется, по-видимому, сильным одревеснением срединных пластинок, соединяющих элементарные волокна. Проведенное исследование показало, что степень одревеснения срединных пластинок волокна конопли различных сортов и волокна кенара сличаются незначительно и составляют 76,0 - 61, £ %.

Показано, что и для луба, и для волокна кс'опли характерно увеличение гибкости с увеличением их относит -■льной влакио«.ги. Особенно интенсивно гибкость возрастает при увеличении влажности в интегря.ле ячятенкй до 100

Таким образом, на основании проведенного эксперимента высказано предположение о возможности обработки луба конопли по кенаф-ной технологии.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ исследованы низкомолекулярные водорастворимые фенольные соединения луба конопли и кенафа с целью изучения возможности проведения процесса варки в одну стадию.

Разработанный способ фосфатной варки льносоломы предполагает • ¡¡>01«« предварительной стадии содовой экстракции, необходимость коа-оро:! обусловлена высоким содержал,:ем годорастзоримых фено.-ьных соединений фяаьоноидного типа, коцденскруещкхся при нагревании с обрь&г.здниеч темноохразеннгя: веществ лпгноподобной структуры, -рачительно ухудзл-ких свойства получаемого волокна к наиболее г го II,о у .■¡,алял,!и;:.>' п процессе содовой экстракции. Однако, испо."ьао-••ин;:., >.= -.ах реагентов гребует создания двух с,.стем ло~

«мыши очистки или регенерации отработанных варочных растворов, _ которт' "с сС5яадав7. Дли поаыеиия экономичное;;, пронес-:"аису льносолсмы проводил., в две стадии, но на rtej.ro;'. стадии нинольаовали чистую воду. Процесс обработки сырья осуществляли и • с добавлением гидрофосфата аммония непосредственно в водный экстракт без его слива. Качественные показатели получаемого в этих слу-:гях волокна практически не изменяются по сравнению с исходна,! ре-,1г.5ок и свидеггяьствуют о сохранении' --о природ.»*»: свойств и хорошем извлечении иизкемолекулярных фенолышх соединений чистой гря-,-!й водой без применения дополнительных реагентов, устранении не. ативных явлений образования лигноподобных соединений.

При исследовании низкомолекулярных водорастворимых фенольных ;оединений луба кенафа и конопли использовали методы ультрафиолетовой, и инфракрасной спектроскопии.

Ультрафиолетовые спектры растворимых фенольных соединений луба конопли и кенафа представлены на рис. I.

Ультрафиолетовые спектры фенольных соединений

;!,'РИС. I

т

Они значительно отличаются от спектра фенольных соединений луба льна. На спектре фенольных соединений луба конопли наблюдается га тенсивный максимум поглощения при длине волны 270 им и максимум меньшей интенсивности при 340 нм. Глубокий минимум поглощения пр] ходится на длину волны 2Ь0 нм и небольшой минимум на 320 нм. Даш спектр соответствует спектру фенольных соединений флавоноидного типа - изофлавонов. Проведенные реакции со спиртовым раствором . ацетата натрия и избытком хлорида аяшиния , позволили установить наличие гидроксильных групп в положении бензольного кольца 5 и 7. Предполагаемую структуру, лежащую в основе строения фенольных сое нений луба конопли можно изобразить следующей формулой: '

На ультрафиолетовом спектре низкомолекулярных фенольных соединений луба кенафа наблюдаются два максV. ума поглощение - при длинах волн 300 и 360 нм, что соответствует спектру лигнина, "о-видимому, в экстракт переходят низкомолекулярные фрагменты лигнина, т.е. фенольше соединения луба кенафа нахо.;ятся в конденсированном состоянии. Исследования спектров дрпесины кенафа / коно~ли выявили аналогичную картину.

ИК-спектры, полученные для осадков, выделенных из спиртовых »коч'онктов, не дают ярко в^'рг.г.снг.оц карпши причгне, что

растительные фенолы имеют сложный состав к аморфное состояние. Однако ИК-спектр кенафа более структурирован и имеет две достатп-но заметные полосы 1600 и 1Ь00 см", которые обусловль.т, по всей вероятности, веществами, имеющими ароматическую природу. Для экстракта луба конопли получен общий диффузный вид спектра, который не позволяет высказать предположения об особенностях сост ва и строения экстрагируемых веществ.

« Исследование фенольных соединений с .юмощыо качественных реакций подтвердило результаты анализа ультрафиолетовой спектроскопии.

Попытки использовать осаждение фенольных соединений ацетатом свища для их количественного анализа не дали хороао воспроигэоди-мых результатов.

Проведены .-.еоледования процессов экстракции низко;-,олекуляр-ни.< ф-;.нольных соединений луба конопли и кенафа в чистой горячей воде и в растворах соды различной концентрации.. Показано, что в процессе водной и содовой эк гракций они затрагиваются незначит:ль-но. Исходя из этого, процесс фосфатной варки луба этих культур можно проводить одностадийно, что значительно упростит технологический процесс.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ проведена разработка технологического режима варки луба кенафа и конопли с применением водгео. растворсэ гидрофосфата аммония. В первой главе на основании сходства в анатомическом строении и химическом составе стебля кенафа и конопли был сделан вывод о возможности использования этого реагента при варках груболубяного сырья. Однако имеющиеся существенные различия требуют разработки режима варки для каждой культуры в отдельности.

В водных растворах гидрофосфат аммония гидролизуется с образованием фосфорной кислоты и гидроксида аммония, участвующих в растворении пектйновых веществ, которые необходимо наиболее полно удалить в процессе обработки. Все другие высокомолекулярные компоненты луба и волокна практически не затрагиваются.

Для выбора оптимальных условий процесса варки луба кенафа и . конопли исследована кинетика экстракции пектиновых веществ в водных растворах гидрофосфата аммония при различной температуре варочного раствора, продолжительности и концентрации реагента..

Для описания скорости процесса экстракции, осложненного внутренней диффузией, использове и топохимическое уравнение Аврами-Колыогорова - Ерофеева: ■ '

■ 'х - 4 - Щ> (-К • «£*•) (1) '

где «С •= степень превращения вещества; К, 'К - константы? г- - время.

Рассчитаны кинетические параметры процесса растворения пектине вых веществ при различной температуре варочного раствора: константы скорости, порядок реакции. На рис. 2 показана зависимость растворения пектиновых веществ луба кенафа от температуры.

Кинетика экстракции пектиновых веществ луба кенафа при ' различной температуре варочного раствора

1р00

1400

ЬОО

Уроновые кислот1

1 - Т - 30° С

2 - Т * 60° С

3 - Т = 95° С

Гексозы

4 - Т - 30°С

5 - Т - 60°С

6 - Т - 95°С

10 20

Рис

60 70 60 90 Время, мин

1Ь

На основании кинетических исследований выбрана оптимальная температура процесса растворения пектиновых веществ - 95° С.

Концентрация реагента.и продолжительнос гь варки являются важнейшими факторами, влияющими на степень удаления пектинов иь луба кенафа и конопли. Изучена кинетика экстракции п^чтиновых веществ в растворах гидрофосфата аммония различной конгзнтрации и продолжительности процесса (рис. 3, 4).

Определены кинетические параметры этого п;;ац<..:са. Установлено, что наибольшая скорость удаления указанных веществ из луба кенг^а и конопли достигается в растворе гидрофосфать смаония с концентра -цией 13 - 1Ь г/л и продолжительное*!!' варки 4Ь - 60 мин'. Пр увеличении концентрации реагента выше 1Ь г/л скорость астворения пектиновых веществ уменьшается, что обусловлено уменьшением степени гидролиза соли.

На основании проведенных экспериментов выбраны условия варки луба кенафа и конопли, при которых степень и скорость их извлечения наибольшая - концентрация гидрофосфата аммония 13 - ао г/л,

продолжительность процесса 45 - ЪО мин, температура 9Ь° С.

Исследованы качественные показатели волокна кенафа и конопли, полученного различными режимами варок с последующей обработкой в "мокром" виде, ыгход длинного волокна во всех опытах находится в пределах 30 - 32 % для кенафа и 41 - 43 % для конопли. Некоторое

его увеличение при концентрации ^идрофосфата аммония Ь г/л обусловлено укноией степенью извлечения пектиновых веществ и удаления нецеллюлозных примесей. Разница средних значений гибкости ари 5 % - ном уровне значимости не является существенной, поэтому не может являться определяющим показателем качества волокна. Разрывное усилие волокон кенафа и конопли увеличивается, достигая наибольших значений при концентрациях реагента 13 - 15 г/л и продолжительности варки 4о - 60 мин. При концентрации соли 20 г/л происходит уменьшение разрывного усилия, что обусловлено уменьшением степени гидролиза гидр.фосфата- аммония. При у».сличении продолжительности варки до 90 мин разрывное усилие волокна несколько уменьшается.

При оценке химического состава волокна конопли, полученного различными режимами варок, определяли содержание пектиновых веществ, гемицеллюлоз, целлолозы и лигнина (табл. I). Из приведенных данных следует, что в процессе фосфатной варки из луба удаляются только »ктиновые вещества. Причем менее всего их содержится в

Кинетика экстракции уроновых кислот пектиновых веществ ' луба кенафа в растворах гидрофосфата аммония различной

С мг/л 1400

,1

1000

600'

200 т<

Ю 20 • 30 40 50 60 70 60 90 Рис. 3 Время, мин

♦

Кинетика экстракции уроновых кислот пектиновых веществ луба конопли в растворах гидрофосфаат аммония различной концентрации

Рис. Ч

Концентрг гидрофоа} аммония

1 - б г/

2 - 8 г/

3 - 10 г

4 - 13 г 6 -ЛЬ г, 6 - 20 г,

Таблица I

Влияние условий фосфатной варки на химический состав

волокна конопли , _

Режим варки Пектины, Гемицеллшозц, Целлюлоз", Лигнин, % % % %

ьи-, г,-.77, тг,,* о од 7 -,, : о л,

Концентрация

1^П4)2НР04 5 г/л "

30 мин 45 мин 60 мин 90 мин

нтрация 4^НР04 10 г/л 30 мин 4Ь мин 60 мин 90 мин

Концентрация СЛ014)2НР04 13 г/л

30 мин

45 мин

60 мин

90 мин

Концентрация

1& г/л

30 мин

45 мин

60 мин 90 мин Концентрация тА'¿НР04 20 г/л

30 мин

45 мин

60 мин

90 мин -

1,42 7,53 69,66

1,41 7,49 . 71,ив , . 2,04

1,48 7,19 73,91 2,08

1,4В • 7,13 72,90 2,07

1,39 7,42 76,93 2,01

1,34 7,34 77,95 2,00

1,23 7,51 76,95 2,Ы

1,24 7,49 76,91 2,11

1,05 7,п0 76,10 1,99

1,03 7,69 76,93 ■ 2,03

1,08 В,25* 77,98 2,03

1,07 7,75 77,76 2,05

1.П 7,23 75,94 2,09

1,07 7,25 73,91 2,05

1,09 7,24 7',90 2,01

1,04 7,78 73,51 2,04

1,37 У;50 72,92 ' 2,06

1,32 7,58 72,62 2,05

1,37 7,56 72,31 . 2,05

1,37 7,54 71,95 2,08

волокне, полученном варкой в растворе гидрофосфата аммония с концентрацией 13 - 15 г/л. Увеличение продолжительности процесса свыше 60 мин и концентрации реагента более 15 г/л не приводит к увеличению степени извлечения пектиновых веществ. Гемицеллюлозы полностью сохраняются в волокне. Общее содержаниеп лигнина по сравнению с лубом остается на том же уровне. Все волокно характеризуете; высоким содержанием целлюлозы (свыше. 70%), что обусловлено высокс ■ степенью облагораживания материала и удаления нецеллюлозных компонентов.

Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что волокно кенафа и конопли лучшего качества можно получит! при варке луба в растворе гидрофосфата аммония с концентрацией 13 - 15 г/л при продолжительности процесса 45 - 60 мин, что подтверждает данные,кинетических исследований.

С целью дальнейшего обоснования возможности проведения варки луба кенафа и конопли в одну стадию изучено влияние предварительной -экстракции сырья в воде и в растворе соды 5 г/л при температуре 95° С в течение 30 мин. Проведенное исследование подтвердило целесообразность одностадийной варки, так как предварительная экстракция не способствует получению вод лат с более высокими свойствами. Напротив, волокно имеет более темный цвет и пониженную гибкость.

Установлено влияние степени закостренности исходного луба на качественные показатели получаемого волокна. Показано, что при степени закостренности 40 % разрывное усилие и гибкость волокна не'отличается от этих же показателей волокна, полученного варкой чистого луба. Степень закостренности не влияет на удаление элементов клеящего комплекса - пектиновых веществ - из луба. При этом другие компоненты, гемицеллюлозы и лигнин, а также содержание целлюлозы изменяются незначительно.

Проведены исследования состава варочной жидкости после однокр ного ее использования. Установлено, что основными компонентами тех нологического раствора являются продукты гидролиза пектиновых веществ (уроновые кислоты и гексозы) и гидрофосфат аммония, 30 % ко торого расходуется в процессе варки. При многократном использовани технологического раствора без его регенерации полное насыщение про дуктами распада клеящего комплекса наблюдается после 2-3 цикла. Содержание всех компонентов достигает равновесного значения для данных условий процесса и в дальнейшем не происходит их извлечения из луол,- Таким образом, многократное использование

технологического раствора без его регенерации возможно ье боле.э 2-3 раз. . . ,

Сформулированы требования к составу варочной жидкост-«:

- рН 7,0 - 7,2 - это значение активной кислотности свежего раствора гидрофосфата аммония;

- предельная концентрация уроновых кислот не более 1200 мг/л;

- предельна, концентрация гексоз не более 1400 мг/л. .

Исследован процесс ьаркн луба кенафа ». конопли с частично!, регенерацией технологической жидкости. Проведано четыре серии опытов. Каждая серия включала шесть последовательных варок с использованием одного и того же раствора, регенерируемого после каждой варки путем разбавления све:..ей водой на 30, 50, 60 л 70 %. Концентрацию гидрофосфата аммония в растворе поддерживали 13 -15 г/л. Установлено, что при 30 % регенерации варочного раствора при многократном его использовании эффективность извлечения гексоз снижается на 44 % для кенафа и оЪ % для конопли, уроновых кислот - на 3d и 54 % соответственно к 2 - 3 циклу варки. При .степени очистки раствора ЬО % и выше состав жидкости стабилизируется после 2-3 циклов использования и остается постоянным при последующих циклах. Количество веществ, экстрагированных из луба конопли и кенафа не уменьшается. . .

Исследованием качественных показателей получаемого -олокна установлено, что при 30 %-ной регенерации варочной жидкости разрывное усилие волокна кенафа уме ьшается на 44 %г конопли - на 26 %. Гибкость волокна практически не изменяется. При степени rt регенерации варочной жидкости 50 % и выше разрывное усил"е.и гибкость волокна кенафа и конопли не претерпевают значительных изменений по сравнению с.волокном, полученным в первом цикле варки (чистый раствор).

Таким образом, проведенные исследования показали, что по ;заработанным режимам варку луба конопли и кенафа необходимо проводить с минимальной степенью очистки 50 %. .

Производственная проверка спосооа облагоражи£анмя луба кенафа и конопли путем варки в растворе гидрофосфата аммония осуществлялась на Ьерхне^ЧирчийскоИ з&воде Ташкентской области..

На основании лабораторных исследований для производственной проверки облагораживания луба кенафа были выбраны следующие режимы: ' ^

I) Концентрация гидрофосфата аммония 15 г/л, продолжительность варки 30 мин, температура варки 95° С, М = I : 20;

2. Концентрация гидрофосфата аммония 15 г/л, продолжительность варки 40 мин, температура варки 95° С, M => I : 20;

3. Концентрация Гидрофосфата аммония 15 г/л, продолжительность варки 50 мин, температура варки 95° С, M « I : 20;

4. Концентрация гидрофосфата аммония 15 г/л, продолжительность варки 70 мин, температура варки 95° С, M = I : 20;

.5. Концентрация гидрофосфата аммония 13 г/л, продолжительность варки 45 мин', температура варки 95° С, M = I : 20.

Вываренный луб обрабатывали по существующей технологии на. действующем оборудовании. Волокно подвергалось органолептической и инструментальной оценке (т 5л. 2)

Таблица 2

Качественные показатели волокна, подученного при переработке луба кенафа по испытуемым режимам

Реиии Выход длинного Гибкость, Разрывная Закост- Сорт

волокна, % мм нагрузка,н ренность,

• %

uj.-;-:-

1 34,0 17 290 1,0

2 32,4 ■ 26 260 0,4

3 32,5 27 270 0,3

4 29,0 fy. 33 230 0,3

5 31,6 22 260 0,4 моченец 32,0' 30 220 . 1,0

Результаты производственной проверки показали, что данный спосоС облагораживания луба кенафа может быть применен в промышленности и позволяет получать волокно высокого качества. С учетом технолс гических показателей процесса выбран оптимальный режим обработка зеленого луба кенафа - концентрация гидрофосфата аммония 13 - К г/л, время обработки 40 мин, температура - 95° С.

На основании проведенной производственной проверки разработана технологическая схема процесса получения длинного волокна 1 нафа, включающая следующие операции: варку луба в растворе гидре фосфата аммония (в дальнейшем отработанный раствор подвергается

регенерации, т.е. обеспечивается замкнутый цикл водоснабжения); промывку холодной водой; трепание с одновременной промывкой; суш-ку;ыягчение; прессовку. Полученные отходы трепания обрабатывают \ йа существующей на заводе технологической схеме. На первом этапе' для очистки сточных вод можно использовать существующую биологическую очистку,- так как часовой объем стока не изменяется, а наличие некоторого количества гидрофосфата аммония приводит к' интенсификации биологической очистки..Разрзботанный режим использован при проектировании завода по получению волокна кенафа способом варки в растворе гвдрофосфаха аыыония. Предполагаемый экономический эффект в ценах 1991 года составит 487 тыс. руб. в год и достигается за счет улучшения условий труда обслукивающего персонала, улучшения качества получаемого волокна, сокращение площадей вод водоемами.

Варка луба конопли осуществлялась в растворе гидрофосфата аммония с концентрацией 13 - 15 г/л, температуре 95° С, водном модуле I : 20 и продолжительности процесса 45 мин. После варки луб

подвергали отмочке и обрабатывали на трепально-промывной машине по режиму обработки кенафа. В результате производственной проверки установлена возможность получения длинного волокна конопли варкой в растворе гидрофосфата аммония с последующей его обработкой по "мокрой" технологии. При этом средний'выход длинного волокна из чистого луба (полученного мятьем и трепанием) составил 40 - 55 %, а при варке луба с закостренностью 40 - 50 % средний выход длинного волокна составил 20 - 25 %. Волокно конопли, полученное способом фосфатной варки обладает высокой гибкостью и удовлетворительным разрывным усилием и не уступает по свойствам волокну, полученному мочкой луба. Наблюдается значительное выравнивание свойств пеньки по длине стебля по сравнению со свойствами моченцовой пеньки.

Для внедрения данного способа в производство требуется раз-; работка и конструирование нового технологического оборудования. При этом за основу целесообразно использовать оборудование для получения волокна кенафа. Для выдачи рекомендаций по производственному использованию способа необходимо:

- исследовать режим механической, обработки луба с выдачей рекомендаций по интенсивности промывки и трепания, а также сушки и мягченик;

- провести научно-исследовательские работы и выдать рекомендации по оборотному водоснабжению с возможностью регенерации варочного раствора;

- провести технико-экономическое обоснование процесса варки с точки зрения получения высококачественного длинного волокна.

Разработанный способ рекомендуется к внедрению на Брюховец-ком пенькозавода, который считает возможным его использование на с .оей производственной базе. •

0Б#1Е ШВОДЫ ■ •

I. Рассмотрены особенности анатомического строения и химического состава стебля кенафа и конопли в сравнении со льном. На основе втих представлений сделан вывод о возможности использования водных растворив гидрофосфата аммония, ранее применявшегося для получения льняного волокна, для варок луба кенафа и конопли. '2. Исследовано влияние влажности на механические свойства луба и волоюп конопли, полученного фосфатной варкой.На основании проведенных исследований показана возможность-обработки луба конопли по' печатаной технологии.

3. С целью изучения возможности проведения процесса варки луба кенафа и "онопли в одну стадию (без предварительной экстракции) исследована природа низкомолекулярных фенольных соединений луба этих культур. Установлено, что низкомолекулярные фенольные соединения лу^а гонопли пр"надлежат (к группе изофлавонов, а кенафа имеют лигноподобную природу. Указанные соединения слабо затраги-

'аются в процессе водной и содовой обработок, что позволяет проводить процесс варки одностадийно, без предварительной экстракции сырья.

4. Исследованы физико-химические закономерности процесса расстворе-ния пек' иновых веществ з. водных растворах гидрофосфата аммония. Показана зависимость скорости процесса и степенн растворения пек-тинбвых веществ от температуры, продолжительности процесса и концентрации реагента. -Выявлены условия этих процессов, при которых максимально удаляются пектиновые вещества.

В результате проведенных исследовании разр&боташ технологические режимы получения волокна кенара и конопли, которые включают варку их луба в растворах гидрофос^ата аккония с концентрацией 12 - 15 г/л, продолжительностью мин при температуре 9о° С и водной модуле I : ~0.

Ь. Разработаны требования к технологической кидкэсти процесса ве*чси луба кенафа и конопли по разработан.¡л- ¡:с: : ;:и-:. Установлено, что при многократном использовании варочной жидкости без ригене» ции насыщение продуктами распада клеящего комплекса происхо.';1 после 2-3 цикла. Исследован процесс парки луба конаФа и

пли с частичной регенерацией технологической жидкости. Показано,чти минимальная степень очистки при варках сырья по указанным режимам

должна составлять ЬО %,

0. Производственная проверка режима получения волокна кенафа с: применением гидро'оефата аммония с 'последующей обработкой по ujm-cbr-вующей технологии и на действующем .оборудовании для моиешюпого лу~

•ба' установила возможность использования данного споообя и про««".>-ленности. По этому режиму наработана партия волокна, качестч'.ч'ны.' показатели ;;оторегс достаточно Бысокие Ц сорт).

Производственная птэоветжа тзежима ватжи л\гба конопли- в полном

üaui'DÖtie i'viuijOUiOiJiiÜLл-'Ct а.рШип!Л.п 'z1.iuJtи.иткминМ nnnpv—

дования для получения волокна кенафа и без корректировки- режима механической обработки установила возможность использования данного реагента'для получения пеньки с последующей обработкой вываренного луба по кенафной.технологии (трепанием с одновременной промывкой). Оценка качественных'показателей волокна, полученного по разработанному режиму, подтвердила, что оно не уступает таковым пеньки, полученной мочкой луба, и характеризуется позленной гибкостью и разно-

пие о г:'; пмальпмк параметров текнелегипоокого родима лолуч-знпа .■п.г:о!'-Н'Л конопли с применение;: водные т\аолйоро.> ¡'пдрофосфа'са >'-

возможно при исследовании рзжимвв механической обработки лубл с выдаче Л рекомендаций по интенсивности промывки и трзпвни'!» а также сушки и кягчения с учетом создания системы оборотного зецоснеб-жения с возможностью р'л-.ерации варочного растзора и тохнико-эконс-мических показателей.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации опубликован»: в следующих работах:

1. И.Г. Воробьева, А.Н. Пигалов, A.A. Гурусова "Исследование процесса варки луба конопли с применением химических реагентов".-Тезисы докладов "Республиканская научно-техническая конференция.

''Пути совершенствования технологии и оборудования для нгрвряботки льняных, хлопковых и химических волокон в льняной огрйоли промышленности (Лек - 92)". - Кострома, I9S2 г.

2. А.Н. Пигалов, A.A. Гурусова, И.Г. Воробьева '''Наследование и разработка -технологического процесса варки луба конопли в раствор*./.

минеральных солей// В сборнике научных трудов EfMilJI. Селекция,

семеноводство, первичная обработка льна,- Торжок.: вып. 28.-1993 г.

3. Платов A.M., А.Н. Пигалов, A.A. Гурусова, И.Г. Воробьева. "Двустадийный способ получения льняной тресты"// .'.В сборнике научные трудов Ы..1ИЛ. Селекция, семеноводство, первичная обработка льна. Тоожок.: вып. 2Ь.- 1993 г.

4. И.Г. Воробьев', A.A. Гурусова, А.Н. Пигалов,'A.M. Ипатов, Х.Е. Ермато1, С.А. Ногай "Исследование и разработка фосфатного режима варки луба кенафа"// Рукопись депонир. в ВИНИТИ.- 23.01.93,

№ 3*Ъ4-.Л.

*з. «..А. Гурусова, А.Н. Пигалов, И.Г. Воробьева "Способ получения льняной тресты с использованием растворов минеральных солейv// Рукопись депонир. в ВИНИТИ.- Itt.0I.93, 3482-ЛП.