لیگنین در تولید کامپوزیت Wood Plast

دسته: مقالات منتشر شده در 07 خرداد 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 741

کاربرد لیگنین در تولید کامپوزیت های چوب - پلیمر

استفاده معقول از چوب را نمی توان بدون استفاده از رزین ها و چسب های مصنوعی که بعنوان مواد پایه در تمام انواع مواد کامپوزیت چوب استفاده می شود، تصور کرد. استفاده از رزین های مصنوعی دارای مزایای متعددی است، من جمله تولید محصولات چسبی با کیفیت بالا و افزایش طول عمر به دلیل استحکام، کاهش مصرف مواد، استفاده کامل از مواد اولیۀ  کم عیار (درجه 2)، بهبود مقاومت در برابر حریق، مقاومت شیمیایی و زیستی مواد تولید شده. به دلیل مصرف کمتر از مواد اولیه برای قطعات چسب دار، هزینه آنها معمولآ کمتر از قطعات چوبی جامد است. چسب ها بازار بین المللی گسترده ای دارند که 63 درصد از آن را چسب های مصنوعی تصرف کرده اند. در صورت پردازش چوب در کارخانجات خمیر و کاغذ؛ سالانه 50-40 میلیون تن لیگنین قلیایی، 5 میلیون تن لیگنوسولفونات، 3.5 میلیون تن لیگنین هیدرولیتیک تکنیکال در جهان تولید می شود. در آینده حجم فرآوری صنعتی چوب 60-50 درصد افزایش خواهد یافت و با این حال، موضوع دفع این نوع پسماندها مهمترین مسئله محسوب می شود. لیگنین ها به صورت ضایعات مختلف با تناژ بالا یک مشکل زیست محیطی و فناوری در بسیاری از صنایع شیمیایی و مناطق مسکونی محسوب می شود.

 

مشکل فرآوری یکپارچۀ چوب هر ساله به دلیل نیاز به حفاظت از محیط زیست و افزایش مداوم قیمت های منابع گیاهی و محصولات فرآوری شدۀ شیمیایی چوب، بیشتر ضرورت پیدا می کند. گروه ایلیم در حال اجرای یکی از بزرگترین پروژه های تاریخ مجتمع صنعت چوب در شرق سیبری است که کاربرد کیفی از پتانسیل منطقه را تضمین می کند. گروه ایلیم بزرگترین سرمایه گذار در صنعت جنگلداری روسیه است. این شرکت بعنوان بخشی از برنامه سرمایه گذاری، در حال اجرای یک پروژه در مقیاس بزرگ "Big Brastk" است که شامل ساخت یک لوله سلولزی مدرن جدید بر مبنای یک شرکت فعال می شود. در سال 2012، بزرگترین تولیدکننده خمیر کاغذ در جهان در براتسک احداث خواهد شد که مجموع تولید سالانه آن بیش از 1 میلیون خواهد بود. فرایند تولید کارخانه با تیمار حرارتی سولفات انجام خواهد شد. برخلاف دیگر آلکالین ها، فرایند سولفات در روش تولید سودا که در آن فقط از هیدروکسید سدیم استفاده می شود، اجازه می دهد تا سلولز حاصل شده مقاومت مکانیکی بالایی داشته باشد. مرحلۀ اصلی در تیمار سولفات بعنوان فرایند ترموشیمیایی، فرآوری و پردازش خرده چوب با محلول آبی حاوی هیدروکسید سدیم و سولفید است. سلولز تولید شده به روش سولفات را خمیر سولفات می نامند. مزیت این روش در امکان استفاده از تمام گونه های چوب در آن است و بازسازی مواد شیمیایی این فرایند را مقرون به صرفه می کند. در تیمار حرارتی سولفات، علاوه بر خودِ سلولز، ضایعات و فرآورده های جانبی زیادی تولید می شود که از آنها مخمر علوفه، صابون سولفات، فیتواسترول، روغن بلند، کلوفان، ترکیبات گوگردی، متانول، سقز و ضایعات فراوانی به شکل روغن بلند به دست می آید. در تیمار حرارتی سولفات، بخشی از مواد استخراجی چوب به lye حرارتی انتقال داده می شود. زمانی که لجن سیاه و مواد استخراجی وارد شده به آن (نمک های رزین و اسیدهای چرب) شناور شده و لایه ای به نام صابون سولفات تشکیل می دهند، از هم جدا می شوند. سپس، به دلیل وجود روغن بلند از اسید سولفوریک برای تجزیه صابون سولفات استفاده می شود. در پایان، محصول تولیدی لایه برداری شده و به سه لایه تقسیم می شود: لایه بالایی که روغن بلند نفت خام است؛ لایه میانی که لیگنین بلند نام دارد؛ و لایه پایینی که محلول بی سولفیت سدیم است. لیگنین بلند ترکیبی از روغن بلند (رزین، اسیدهای چرب و مواد خنثی ALS)، لیگنین، نمک های معدنی (بی سولفات سدیم)، آب، pH که به مواد اسیدی منتقل می شود، و حدود 1 درصد الیاف سلولز است.

 

لیگنین بلند سولفات محلولی از نمک های سدیم است که از دانسیته بالا و مقاومت شیمیایی برخوردار است. اما لیگنین سولفات خشک یک پودر قهوه ای رنگ است. لیگنین از درات کروّی متخلخل منفرد و کمپلکس تا 20 عدد تشکیل شده است و اندازه ذرات آن از 10-5 میکرومتر (یا کمتر) متغیر است. همچنین، دانسیته آن 1300 است. در محلول های آبی آمونیاک و هیدروکسیدهای فلزات قلیایی و همچنین در دی اکسان، اتیلن گلیکول، پیریدین، فورفورال، دی متیل سولفوکسید محلول است. علاوه براین، تیمار حرارتی لیگنین سولفات باعث تجزیه آن یا تشکیل مواد فرّار می شود که با دمای 190 درجه سلسیوس آغاز می شود. عملآ در دستۀ محصولات غیرسمّی طبقه بندی شده و به شکل خمیر مرطوب، پودر غیر قابل اشتعال استفاده می شود. در جداول زیر به ترتیب اسیدهای تار و ترکیب اسیدهای چرب در لیگنین بلند ارائه شده است.

 

جدول 1:

 The composition of tar acids tall lignin

جدول 2:

 The composition of fatty acids of tall lignin

 

تنها در شعبه براتسک گروه ایلیم، کارخانه های تولید خمیر موجود بیش از 10 هزار تن لیگنین بلند تولید می کنند. در گریدهای مختلف، شرکت های تولیدکنندۀ آن به استفاده از لیگنین مشفول هستند اما لیگنین هیدرولیز شده، لیگنین سولفات و لیگنوسولفونات ها بعنوان محصولات تجاری در بازار در دسترس هستند. هیچ استاندارد بین المللی یا روسی برای لیگنین های تکنیکال وجود ندارد و براساس قابلیت کارخانجات مختلف عرضه می شوند. لیگنین در شرایط عادی در آب و حلال های آلی کم قابل حل است. در فناوری های شیمیایی و در محیط زیست، این ماده می تواند واکنش و دگرگونی های شیمیایی گسترده ای از خود نشان دهد. همچنین، خواص پلاستیکی را در فشار و دمای بالا نشان می دهد؛ به ویژه در حالت مرطوب که امکان استفاده از آن در کامپوزیت های چوب را فراهم می کند. این مقاله به ارائه نتایج حاصل از بررسی استفاده از لیگنین بلند سولفونات بعنوان یکی از اجزای ترکیب سایزبندی در تولید ورق فیبر می پردازد. از افزودنی لیگنین قلیایی (SCHDL) نیز که محلولی از لیگنین بلند در آمونیاک است، استفاده شد. تمام این مراحل در شرایط آزمایشگاهی تولید فعلی ورق فیبر مرطوب انجام شد. برای ارزیابی اثرات متغیرهای تحقیقاتی بر پارامترهای خروجی (پارامترهای کیفی تخته فیبر) برنامه ریزی شد تا یک مدل رگرسیونی ایجاد شود که قابلیت کنترل روش های تکنولوژیکی را فراهم می کند. در جدول زیر به عوامل متغیر در تعیین سطح طبیعی و کد، سطوح آنها و فواصل بین تغییرات اشاره شده است.

 

جدول 3:

 Main factors and levels of their variation

 

نتیجه گیری

1- با توجه به مطالعات تجربی و نظری، امکان استفاده تلفیقی از فرآورده های جانبی تولید چوب - شیمیایی ایجاد شده است که از دامنۀ مشکلات زیست محیطی می کاهد.

2- امکان استفاده از لیگنین در تولید تخته فیبر به روش مرطوب ایجاد شده است. لیگنین بعنوان ترکیب سایزبندی به شکل محلول قلیایی (SCHDL) به بازار وارد می شود.

3- نسبت بهینۀ مواد ترکیبِ تخته فیبر به این صورت است: افزودنی قوام دهنده 0.6-0.4 درصد با وزن a.s.v، افزودنی لیگنین آلکالین (قلیایی) 2.5-1.5 درصد با وزن a.s.s، افزودنی آبگریز حداکثر 0.5 درصد با وزن a.s.s و الیاف چوب.

4- مشخص شد که خواص فیزیکی و مکانیکی صفحات الیاف چوب، در صورت استفاده از SCHDL، با الزامات "تخته های فیبر" GOST 4586 در شرایط فنی مطابقت دارد.