Свойства смеси конопляного луба и хвойной массы для производства фильтровальной бумаги

Piyawan Yimlamaia, Korawit Chitbanyonga, Kapphapaphim Wanitpinyoa, Buapan Puangsina, Kawinthida Nantaa, Somwang Khantayanuwonga, Sawitree Pisutpicheda, Tanapon Chaisanb, Binqi Feic, Salim Hiziroglud

 

Свойства смеси конопляного луба и хвойной массы для производства фильтровальной бумаги (Properties of mixture of hemp bast and softwood pulp for filter paper manufacture)

 

https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e25353   

 

АННОТАЦИЯ

Целью этого исследования было изучение морфологических и химических свойств волокна конопляной лубяной массы сорта RPF1, которое можно использовать в качестве потенциального сырья для производства фильтровальной бумаги.

Экспериментальные образцы листового материала с базовым весом 20 г/м22 были изготовлены с использованием смеси конопли и хвойной целлюлозы при различных уровнях взбивания. 

 

Средняя длина и ширина лубяного волокна из конопли были определены как 5,76 мм и 32,53 мкм соответственно. Также было обнаружено, что лубяное волокно конопли имело жесткую толстую клеточную стенку с небольшим размером просвета. Общие химические свойства конопляной лубяной массы были схожи с волокнами из других источников лубяной массы, а также с волокнами из древесины мягких пород. 

 

Похоже, что конопляная лубяная масса легко перерабатывается в целлюлозу при различных условиях щелочной варки с выходом целлюлозы от 51,36 % до 52,56 % и коэффициентом Каппа от 2,89 до 8,18. Основываясь на результатах этого исследования, можно предположить, что конопляная лубяная масса может использоваться для производства фильтровальной бумаги с приемлемыми характеристиками.

 

ВЫДЕРЖКИ 

 

Одним из наиболее распространенных видов использования пластиковых пакетов является фильтровальная бумага. Он широко используется для производства чайных пакетиков, и сообщалось, что такие пакетики выделяют определенное количество микро-и наночастиц в чай. (Л.М. Эрнандес, Э.Г. Сюй, Х.К.Э. Ларссон, Р. Тахара, В.Б. Майсурия, Н. Туфенкджи

Пластиковые пакетики с чаем выделяют в чай миллиарды микрочастиц и наночастиц, Environ. Sci. Technol., 53 (21) (2019), стр. 12300-12310, 10.1021/acs.est.9b02540)

 

В результате ранее проведённого исследования было установлено, что для недревесных материалов, таких как багасса, рисовая солома, конопля, кенаф и лён.Из-за того, что недревесные материалы обычно содержат меньше лигнина, чем древесина, лигнин легко отделяется. Кроме того, процесссодовой варки целлюлозыотносительно прост и требует небольших капиталовложений. Это химический процесс, который является экологически безопасным и позволяет получать прочные волокна для производства бумаги [23], [24].

 

Основной целью этого исследования было изучение и количественная оценка свойств лубяного волокна, связанных с целлюлозой и производством бумаги. В рамках этой работы также были определены морфология, химический состав и свойства целлюлозы из лубяного волокна. Лубяную целлюлозу из конопли смешивали с целлюлозой из мягкой древесины в соотношении 30–70 (по массе) и улучшали её прочность путём измельчения на разных уровнях. 

 

Cтебли 3-4-месячной конопли сорта RPF1 (Cannabis sativa L.) были собраны с плантации, расположенной в подрайоне Пангму, округ Муанг Мае Хонг Сон, Мае Хонг Сон, Таиланд. Кору и сердцевину конопли отделяли вручную перед определением содержания влаги в образцах лубяных волокон в соответствии с TAPPI T 258 om-11. Коммерческая целлюлоза из хвойных пород была предоставлена компанией Thai Paper Co., Ltd. (Бангкок, Таиланд). Гидроксид натрия лабораторного качества (NaOH), ледяная уксусная кислота (CH3COOH), перекись водорода (H₂O₂), а аткже все другие химикаты и растворители были приобретены у компании Merck Co., Ltd. (Бангкок, Таиланд) без какой-либо очистки.

 

Очищенные кусочки пеньковой лубяной ткани выдерживали в смеси ледяной уксусной кислоты и 30%-ной перекиси водорода в соотношении 1:1 при температуре 75 °C в течение 48 часов по методу Франклина (Franklin 1945). После завершения процесса выдержки образцы промывали дистиллированной водой, измельчали и окрашивали 1%-ным раствором сафранина. Затем был проведён анализ морфологии волокон с помощью светового микроскопа, BX50; Olympus (Токио, Япония). Для 100 окрашенных волокон были измерены длина, ширина, ширина просвета и толщина клеточной стенки. На основе этих измерений были рассчитаны коэффициент тонкости, длина/ширина волокна, коэффициент Рункеля, 2 × толщина клеточной стенки/ширина просвета и коэффициент гибкости, ширина просвета/ширина волокна. 

 

Образцы пеньковой лубяной массы были нарезаны на мелкие кусочки и измельчены в порошок с помощью лабораторной мельницы Thomas-WILEY Model 4; Arthur H. (Thomas Company, Филадельфия, Пенсильвания, США). Порошок высушенной на воздухе пеньковой лубяной массы был просеян через сито с ячейками 40 меш и отфильтрован через сито с ячейками 60 меш перед проведением химического анализа. Содержание голоклетчатки было измерено с помощью метода безэкстрактивной древесины, описанного ранее [27]. Другие химические анализы проводились на основе альфа-целлюлозы (TAPPI T 203 cm-09), нерастворимого в кислоте лигнина (TAPPI T 222 om-11), золы (TAPPI T 211 om-12) и спиртобензольных экстрактов (TAPPI T204 cm-07).

 

Щелочная варка целлюлозы проводилась в лабораторном вращающемся реакторе периодического действия с варочным котлом объемом 7 л, SEW-Eurodrive (Брухзаль, Германия). Три образца конопляного волокна весом 300 г в сухом виде подвергались варке с использованием 16 %, 18 %, 20 %, 22 % и 24 % NaOH в пересчете на массу растворенного вещества на объем растворителя. Соотношение жидкости и конопляного волокна составляло 5:1, а максимальная температура достигала 165 °C. Время, необходимое для достижения максимальной температуры, составляло 60 минут. Температура поддерживалась на этом максимальном уровне в течение 60 минут для приготовления образцов. 

 

Полученный коричневый раствор промывали и измельчали, а затем просеивали через сито с отверстиями 0,15 мм, после чего рассчитывали общий выход целлюлозы и процент отходов. Каппа-число целлюлозы было проанализировано в соответствии со стандартом TAPPI T236 om-06. Образцы целлюлозы из конопляной лубяной ткани после просеивания были собраны и хранились в холодильнике для использования в производстве ручных салфеток.

 

 

Свойства смешанной пеньково-древесной целлюлозы с удельной массой 20 г/кв.м для применения в качестве лёгкой фильтровальной бумаги были исследованы с помощью сканирующего электронного микроскопа.  Морфология поверхности целлюлозы также была оценена по изображениям для лучшего понимания свойств такого типа волокон.

 

 

СЭМ-микрофотографии поверхности конопляной лубяной ткани (базовый вес = 20 г/м2) для необработанных рулонов; A = 100x, a = 300x, обработано при 10 000 оборотах в минуту; B = 100x, b = 300x, обработано при 12 000 оборотах в минуту; C = 100x, c = 300x.

 

 Сравнение химического состава конопляной лубяной массы с другими источниками лубяного волокна.

 

Химический состав	Содержание (% от массы сырья в сухом виде в духовке
	Конопляное лыко	Кои	Шелковица	Кенаф
Holocellulose	75.93 ± 0.28	79.62 ± 0.17	71.03	72.31
Альфа - целлюлоза	51.25 ± 0.71	65.52 ± 0.24	62.14	48.20
Гемицеллюлоза	24.68 ± 0.96	14.78 ± 0.22	8.11	19.05
Лигнин	9.73 ± 0.57	6.02 ± 0.21	–	16.27
Зола	4.82 ± 0.08	8.45 ± 0.06	4.30	2.87
Экстрактивные вещества	1.83 ± 0.06	6.29 ± 0.63	4.11	3.84

 

 

Выход целлюлозы, отход и каппа-число целлюлозы из конопляной лубяной массы при различном уровне активной щелочи в содовом процессе.

 

Активная щелочь (%)	Выход целлюлозы (%)	Отклонение (%)	Число Каппа
16	52.56 ± 1.39	1.72 ± 0.57	8.18 ± 1.33
18	52.35 ± 1.38	1.93 ± 0.23	6.51 ± 0.41
20	53.57 ± 1.44	1.54 ± 0.11	4.33 ± 0.06
22	51.55 ± 0.64	1.43 ± 0.08	3.46 ± 0.25
24	51.36 ± 0.74	1.65 ± 0.20	2.89 ± 0.08

 

 

Выводы

Морфологические, химические и целлюлозно-бумажные свойства конопляной лубяной массы были оценены для определения их пригодности в качестве сырья для производства фильтровальной бумаги. Результаты показали, что волокна конопляной лубяной массы длиннее, чем волокна кенафа и древесины мягких пород. 

 

Химический состав конопляной лубяной массы показал более высокое содержание альфа-целлюлозы и более низкое содержание лигнина, что делает её подходящим материалом для производства бумаги. После процесса целлюлозно-бумажной переработки конопляная лубяная масса показала высокий выход целлюлозы и низкое значение числа Каппы при оптимальной концентрации NaOH 24 %. При приготовлении ручек мякоть луба конопли смешивали с мякотью хвойных пород в соотношении 30:70 (по массе). 

 

Базовый вес полученных ручных листов был скорректирован до минимума, и использовалось различное время взбивания. Результаты показали, что прочностные свойства ручных листов улучшились при увеличении времени взбивания, особенно при 10 000 оборотах. 

 

Похоже, что конопляный луб имеет потенциал для использования в качестве альтернативного сырья для производства фильтровальной бумаги. Однако применение лёгкой фильтровальной бумаги при фильтрации жидкостей служит для повышения прочности на разрыв и увеличения пустот внутри фильтра, тем самым улучшая его фильтрующие свойства.