Целлюлозно-бумажная промышленность. Производство бумаги, картона, целлюлозы. Изделия из бумаги. Картонажи. Фотобумага

Представлен материал, охватывающий вопросы модификации молекулярной, аморфно-кристаллической и надмолекулярной структур природных целлюлоз химическими и электрофизическими и радиационно-химическими методами и исследования их физико-химических свойств с точки зрения последующей химической переработки.

Рост объемов химической переработки целлюлозы для производства санитарно-гигиенических и медицинских изделий, упаковки, а также наполнителей для пищевых продуктов обуславливает появление новых требований к качеству сырья. Особенно остро задача улучшения характеристик целлюлозы встала в связи с эпидемией COVID-19: спрос на одноразовые нетканые материалы, непосредственно контактирующие с кожным покровом человека, увеличился в разы. Технология отбелки сульфатной целлюлозы ECF, использующая диоксид хлора как отбеливающий реагент, доминирует в процессе производства беленой целлюлозы во всем мире. Образующиеся в результате отбелки хлорсодержащие соединения загрязняют не только сточные воды, но и сам продукт. В ближайшее время следует ожидать, что целлюлозу, изготовленную с использованием отбеливателей на основе соединений хлора, могут запретить в производстве санитарно-гигиенических изделий и упаковки для пищевых продуктов. Если продукция предприятий целлюлозно-бумажной промышленности не будет соответствовать международным требованиям, то на рынке целлюлозы возникнет дефицит сырья для указанных видов товаров. Наиболее перспективным направлением модернизации существующих схем отбелки как с точки зрения расходных показателей процесса, так и с точки зрения качества получаемой целлюлозы является использование на первой ступени кислородно-щелочной отбелки. Определение содержания общего и органически связанного хлора в целлюлозных материалах в соответствии с ISO 11480:2017 на усовершенствованной установке показало, что внедрение схем отбелки с использованием кислородно-щелочных средств позволит обеспечить рекомендуемый уровень содержания соединений хлора при сохранении необходимых характеристик целлюлозы для изготовления медицинских и санитарно-гигиенических изделий, упаковки под пищевые продукты. Однако высокое качество готовой продукции, удовлетворяющее требованиям потребителей, возможно только при условии контроля содержания хлора на всех этапах производства целлюлозы, поскольку количественные показатели концентрации данного вещества остаются близкими к верхнему допустимому пределу. Для цитирования: Софронова Е.Д., Липин В.А., Дубовый В.К., Суставова Т.А. Минимизация содержания хлора в беленой сульфатной целлюлозе для санитарно-гигиенических изделий и упаковки пищевых продуктов // Изв. вузов. Лесн. журн. 2021. № 3. С. 186–195. DOI: 10.37482/0536-1036-2021-3-186-195
The increasing consumption of pulp for chemical processing, including production of sanitary tissue products and other medical products, food packaging, as well as fillers for food products leads to new requirements for the quality of raw materials. The task of improving the characteristics of pulp has become particularly acute in connection with the COVID-19 epidemic: the demand for disposable nonwoven materials in direct contact with the human skin has increased several times over. The elemental chlorine free (ECF) sulfate pulp bleaching process, which uses chlorine dioxide as a bleaching agent, dominates bleached pulp production worldwide. The chlorine-containing compounds formed as a result of bleaching pollute not only waste water, but also the product itself. In the near future, it is expected that paper products made with chlorine-based bleaches may be banned for the production of sanitary tissue products and food packaging. If the products of the pulp and paper industry do not meet international consumer requirements, the pulp market for these purposes may face undesirable results. The most promising direction of modernization the existing bleaching schemes, both in terms of the process consumption parameters and the quality of the produced pulp, is the use of oxygen-alkaline bleaching in the first stage. Determination of total and organically bound chlorine content in pulp materials in accordance with ISO 11480:2017 on the advanced plant has shown, that the introduction of bleaching schemes using oxygen-alkaline agents will ensure the recommended content of chlorine compounds while maintaining the necessary characteristics of pulp for the manufacture of medical and sanitary tissue products, food packaging. However, high quality of finished products that meet consumers’ requirements is possible only if the chlorine content is controlled at all stages of pulp production, since the quantitative indicators of this substance content remain close to the upper allowable limit. For citation: sofronova e.D., Lipin v.A., Dubovy v.K., Sustavova t.A. Minimizing the Chlorine Content in bleached sulfate pulp for sanitary tissue products and food packaging. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2021, no. 3, pp. 186–195. DOI: 10.37482/0536- 1036-2021-3-186-195.

В настоящее время материалы из древесноволокнистых полуфабрикатов нашли широкое применение в домостроении в качестве конструкционных, отделочных и изоляционных. Как показал анализ результатов многочисленных исследований, сырьем для их производства служит технологическая щепа из отходов деревообработки, которая подвергается гидротермической обработке и дальнейшему размолу в дисковых ножевых размалывающих машинах в две ступени. Значительная энергоемкость процесса производства древесного волокна обусловлена не только использованием 2-ступенчатого размола, но и преодолением гидродинамического сопротивления водной среды, где осуществляется размол. В ходе решения задачи расширения сырьевой базы для производства древесноволокнистого полуфабриката и снижения энергоемкости процесса размола был исследован размол щепы из порубочных остатков в аэродинамической среде на модернизированной планко-крестовой мельнице. Проанализированы особенности этого процесса и дана оценка его эффективности. Установлено влияние продолжительности выдержки щепы из порубочных остатков в растворе уксусной кислоты, величины рабочего зазора и угла наклона передней грани ножа на степень помола и фракционный показатель качества помола древесной массы. Получены статистическо-математические уравнения, описывающие исследуемый процесс, и построены графические зависимости, для которых выполняется следующее основное требование: экспериментальные точки в совокупности должны располагаться достаточно близко к кривым. Данные уравнения позволяют прогнозировать качество древесноволокнистой массы в зависимости от установленных режимов процесса размола, а также при известных значениях технологических и конструктивных параметров размалывающей установки определять ее показатели. Подтверждена эффективность процесса получения древесноволокнистого полуфабриката в аэродинамической среде из щепы, произведенной в результате переработки порубочных остатков (ветви, ветки и сучья) в мобильной рубительной машине. Для цитирования: Зырянов М.А., Медведев С.О. Моделирование процессов получения древесноволокнистых полуфабрикатов в целях расширения сырьевой базы лесопромышленных предприятий // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 5. С. 176–183. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-5-176-183 Финансирование: Исследование выполнено при поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых – кандидатов наук МК-1902.2019.6; проект «Разработка и внедрение эффективной технологии комплексной переработки лесосечных отходов» проведен при поддержке Красноярского краевого фонда науки
Currently, materials made of wood-fiber semi-finished products are widely used in house building as structural, finishing and insulating materials. According to the results analysis of numerous studies, the raw material for their production is technological chips of woodworking waste. While production, the chips are subjected to hydrothermal treatment and further grinding in disk knife grinding machines in two stages. Significant energy consumption of the wood fiber production process is driven not only by grinding wood chips in stages, but also by overcoming the hydrodynamic resistance of the aqueous environment, where grinding is carried out. The process of grinding wood chips, made of from chopping residues, in an aerodynamic medium on an upgraded cross-bar mill was studied in order to solve the problem of expanding the raw material base for the production of a wood fiber semifinished product and reducing the energy intensity of the grinding process. The features of this process were analyzed and its effectiveness was assessed. The influence of the exposure time of wood chips of chopping residues in an acetic acid solution, the size of the working gap and the angle of inclination of the front edge of the knife on the grinding degree and fractional quality of wood pulp grinding was determined. Statistical and mathematical equations, that describe the studied process, were obtained, and the graphical dependencies are constructed. The following basic requirement is fulfilled for the dependencies: the experimental points for a total should lie quite close to the curve. These equations allow predicting the quality of wood pulp depending on the set modes of the grinding process; as well as determining the quality indicators of wood pulp with known values of the technological and structural parameters of the grinding machine. The efficiency of the process of obtaining the wood-fiber semi-finished product in an aerodynamic environment from wood chips produced as a result of chopping residues (branches, twigs, etc.) processing in a mobile wood chipper, is proven. For citation: Zyryanov M.A., Medvedev S.O. Modeling the Production Processes of WoodFiber Semi-Finished Products Aimed at Expansion of the Raw Material Base of Forest Enterprises. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 5, pp. 176–183. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-5-176-183 Funding: The research was carried out with the support from the grant of the President of the Russian Federation for young scientists (candidates of sciences) МК-1902.2019.6; the project “Development and Implementation of an Effective Technology for Integrated Processing of Logging Waste” was supported by the Krasnoyarsk Regional Fund of support scientific and technical activities.

Предложен синтез новых наноструктурированных металлоуглеродных композитов на основе лигносульфонатов. Получение и изучение их свойств является актуальной задачей современного химического материаловедения ввиду применения материалов на их основе в качестве ионоселективных электродов и электрохимических катодов, электродов суперконденсаторов, магнитных сенсоров, устройств записи и хранения информации, гетерогенных катализаторов. Решающее значение при получении этих композитов приобретает метод синтеза, позволяющий формировать частицы определенной формы и размера, определяющих в дальнейшем свойства композиционного материала (сорбционные, электрохимические, каталитические, магнитные, оптические). Цель исследования – изучение влияния условий синтеза наноструктурированных металлоуглеродных композитов на основе углеродсодержащего органического сырья (лигносульфонатов, хитозана, полиэтиленполиамина) и встроенного металла на структуру и физико-химические характеристики новых материалов. Разработан способ, особенностью которого является коллоидно-химический синтез с последующей карбонизацией, позволяющий получить высокодисперсный композит с развитой микро-мезопористой структурой, удельной поверхностью до 400 м2/г и распределением частиц в узком диапазоне размеров (30…65 нм). Металл связывается с лигносульфонатом натрия (ЛС) на стадии формирования хелатного комплекса, который при взаимной коагуляции с хитозаном (ХТ) или полиэтиленполиамином (ПЭПА) образует нерастворимый в воде полимерный металл-органический комплекс. Степень извлечения ионов Со(II) из водных растворов при формировании металлокомплекса состава ЛС–Co–ХТ составляет 78,6 % при массовом соотношении ЛС и ХТ – 1 : 0,25, а для комплекса ЛС–Co–ПЭПА – 56,3 % при массовом соотношении ЛС и ПЭПА – 1 : 0,1. Проведение центрифугирования, промывки ацетоном и карбонизации позволяет зафиксировать металл в структуре металлоуглеродного композита. Проанализированы условия синтеза: количественное соотношение полимерных компонентов (для системы ЛС : ХТ – 1 : 0,25; для ЛС : ПЭПА – 1 : 0,1); продолжительность формирования хелатного комплекса – 1 ч и металл-органического композита – 1 ч; рН 4–6. Морфология наноструктурированного металлоуглеродного композита изучена методом электронной микроскопии, параметры пористой структуры – методом низкотемпературной адсорбции азота. Углеродные наноматериалы, полученные при мягких условиях синтеза на основе дешевых природных полимеров, перспективны для применения в качестве эффективных сорбентов и катализаторов, в том числе и для защиты окружающей среды. Для цитирования: Бровко О.С., Паламарчук И.А., Горшкова Н.А., Ивахнов А.Д. Металлоуглеродные композиты на основе лигносульфонатов // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 3. С. 159–168. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-3-159-168 Финансирование: Исследования проведены в ходе выполнения государственного задания ФГБУН ФИЦКИА РАН ФНИ 2018–2020 гг. «Физико-химические, генетические и морфологические основы адаптации растительных объектов в условиях изменяющегося климата высоких широт» (№ АААА-А18-118012390231-9) с использованием оборудования ЦКП НО «Арктика» (САФУ) и ЦКП НО «КТ РФ в области экологической безопасности Арктики» (ФГБУН ФИЦКИА РАН)
The synthesis of the new nanostructured metal-carbon composites (NMCC) based on lignosulfonates was proposed. Obtaining and studying the properties of NMCC is a crucial task of modern materials chemistry due to the use of the materials based on them in various fields of science and technology as ion-selective electrodes and electrochemical cathodes, supercapacitors, magnetic sensors, information recording and storage devices, heterogeneous catalysts. The synthesis method, which allows the formation of particles of a certain shape and size, which subsequently determine the properties of the composite material (sorption, electrochemical, catalytic, magnetic and optical), acquires decisive importance in the production of the new materials. The research purpose is to study the influence of the synthesis conditions of NMCC based on carbon-containing organic raw materials (lignosulfonates, chitosan and polyethylene polyamine) and embedded metal on the structure and physico-chemical properties of the new materials. The feature of the developed approach is the colloid-chemical synthesis with subsequent carbonization, which allows to obtain a highly dispersed NMC with the developed micro- and mesoporous structure, specific surface area up to 400 m2/g and a narrow particle size (30–65 nm) distribution. Metal binds to sodium lignosulfonate (LS) at the stage of chelate complex formation, which upon mutual coagulation with chitosan (CT) or polyethylene polyamine (PEPA) forms a water-insoluble compound (polymer metalorganic complex). The degree of extraction of Co(II) ions from aqueous solutions during the formation of the LS–Co–CТ metal complex is 78.6 % (LS : CТ mass ratio is 1 : 0.25) and the LS–Co–PEPA complex is 56.3 % (LS : PEPA mass ratio is 1 : 0.1). Centrifugation and washing with acetone followed by carbonization allow the metal to be fixed in the structure of the NMCC. The synthesis conditions, including the quantitative ratio of polymer components (LS : CT – 1 : 0.25 and LS : PEPA – 1 : 0.1), the duration of the formation of the chelate complex (1 h) and the metal-organic composite (1 h) and pH (4–6), were analyzed. The morphology of the NMCC was studied by electron microscopy, and the parameters of the porous structure were found by the method of low-temperature nitrogen adsorption. Carbon nanomaterials based on cheap starting polymers and obtained in the mild synthesis conditions are promising for practical use as effective sorbents and catalysts, as well as for environmental protection. For citation: Brovko O.S., Palamarchuk I.A., Gorshkova N.A., Ivakhnov A.D. Metal-Carbon Composites Based on Lignosulfonates. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 3, pp. 159–168. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-3-159-168 Funding: The studies were carried in the course of the state assignment of the N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research within the framework of the Fundamental Research Program 2018–2020 “Physical and Chemical, Genetic and Morphological Fundamental Principles of Adaptation of Plant Objects in a Changing Climate of High Latitudes” (No. AAAA-A18-118012390231-9) using the equipment of the Core facility center “Arktika” (NArFU) and the Core facility center “Critical Technologies of the Russian Federation in the field of Environmental Safety of the Arctic” (FSIARctic RAS).

Предложен алгоритм создания математической модели структуры бумажного листа, обладающего такими же свойствами, как и реальный бумажный материал, что позволяет анализировать и прогнозировать его свойства. Представлено три основных этапа создания этой модели. На первом этапе с использованием экспериментальных данных находят параметры распределения основных геометрических характеристик волокна (длины, ширины, кривизны). На основе этих параметров и выявленных зависимостей вычисляют геометрические характеристики каждого моделируемого волокна. На втором этапе осуществляют трехмерное моделирование отдельных волокон. Оно включает расчет траектории волокон, расчет поперечного сечения и трехмерное представление каждого волокна с учетом выявленных на предыдущем этапе зависимостей. На третьем этапе полученные модели отдельных целлюлозных волокон укладываются в единую волокнистую сетку заданной площади, образуется 3D-модель бумажного листа. При этом изгиб волокон в пространстве реализуется за счет операций математической морфологии с учетом параметров исходного сырья. Предлагаемый алгоритм создания трехмерной модели бумажного листа используется с применением прикладного программного обеспечения, позволяющего не только получать визуальную модель листа бумаги, но и проводить анализ и прогнозирование свойств целлюлозно- бумажных материалов без использования обширной инструментально-экспериментальной базы.

Исследовано влияние факторов режима загрузки на деформацию суспензии «щепа–щелок» в питателе загрузочной циркуляции варочного котла. Показано, что на деформацию суспензии при загрузке расходуется мощность, потребляемая насосом высокого давления. В ходе эксперимента решались следующие задачи: установить по экспериментальным данным зависимость деформации суспензии «щепа–щелок», выполняемой насосом высокого давления в каналах ротора питателя загрузочной циркуляции варочного котла; получить уравнения и численные значения масштабов подобия параметров для деформации суспензии в каналах ротора питателя и экспериментальной модели; определить мощность, расходуемую насосом высокого давления при деформации суспензии «щепа–щелок» в канале ротора питателя загрузочной циркуляции. Использованы следующие методы: полного факторного эксперимента; подобия и анализа размерностей. На основе методов подобия и анализа размерностей составлены уравнения для расчета и определены численные значения следующих масштабов подобия типового питателя и модели: геометрического, коэффициента Пуассона, сил деформации и трения, гидравлических радиусов, работы сил деформации, скорости, деформации и времени нагружения. Зависимость деформации суспензии при подаче из зоны низкого в зону высокого давления загрузочной циркуляции исследована на модели. Установлено, что относительная деформация возрастает пропорционально времени нагружения и давлению и обратно пропорционально жидкостному модулю. Максимальная мощность, расходуемая насосом на деформацию сырья в канале ротора питателя, определена по расчетным параметрам процесса деформации. Показано, что при расчетах привода насоса высокого давления необходимо учитывать расход мощности не только на транспортирование щепы в трубопроводе, но и на деформацию суспензии в питателе загрузочной циркуляции варочного котла.

На основе комплексного анализа данных физико-химических свойств ферментативно-модифицированной хлопковой шелухи и результатов спектрофотометрии выявлено, что ферментативный гидролиз полисахаридов хлопковой шелухи обеспечивает высвобождение красящих веществ ароматической природы, а также фрагментов лигнина с развитой хромофорной системой и диффундирование их в раствор.