Výroba, vlastnosti a použití buničiny z ozdobnice čínské ve stavebnictví
V poslední době se lze stále více setkat s použitím obnovitelných či alternativních materiálů ve stavebnictví. Významnou skupinou těchto materiálů jsou suroviny rostlinného původu, mezi které patří sláma jednoletých či víceletých travin. Ozdobnice čínská, která byla použita pro výrobu buničiny popsanou v tomto článku, je zástupcem tzv. energetických rostlin a do budoucna by mohla alespoň částečně nahradit dosud používanou dřevní hmotu z jehličnanů.
Abstrakt
Příspěvek popisuje využití ozdobnice čínské k výrobě buničiny. Ozdobnice čínská je víceletá rostlina, jejíž pěstování je nenáročné a která má mnoho možností využití.
V první fázi přípravy buničiny z ozdobnice čínské byla na Univerzitě Pardubice provedena laboratorní příprava buničiny, a to v celkovém počtu šesti jednotlivých várek. Ve druhé fázi pak došlo k poloprovozní várce buničiny z vybrané laboratorní várky a celkem tak bylo získáno cca 2000 g buničiny pro další zkoušky.
Na připravených vzorcích byly zjištěny mechanické a další vlastnosti typické pro buničinu. Vyrobená buničina pak byla dále využita k přípravě vzorků vláknocementových desek, u kterých byly také stanoveny základní fyzikálně mechanické parametry.
Po zhodnocení všech získaných informací pak byla provedena provozní výroba 500 kg buničiny, jež byla použita k výrobě vláknocementových desek v reálném provozu.
Úvod
Obr. 1: Ozdobnice čínská před sklizní
Ozdobnice čínská (obr. 1) je vytrvalá rostlina, která při pěstování nevyžaduje žádnou zvláštní péči a za příznivých podmínek dosahuje výnosu přes 30 tun sušiny na 1 ha. V současné době se o ozdobnici uvažuje jako o alternativním zdroji obnovitelné energie a surovině pro průmyslové užití [1].
Využít tuto rostlinu je možné v těchto oblastech:
- spalování neupravené řezanky (výhřevnost 17–17,5 MJ/kg)
- výroba (lisování) briket, pelet
- výroba bioetanolu
- výroba buničiny (vysoký obsah celulózy – kolem 40 %)
- výroba stavebních materiálů (dřevovláknité desky, došky, rohože, izolační desky)
Cílem výzkumu a prací popsaných v tomto článku bylo vyrobit buničinu z ozdobnice, stanovit její základní vlastnosti a také použít vyrobenou buničinu k přípravě vzorků vláknocementových desek.
Technologie buničiny
V současné době je převážná část výroby buničiny realizována chemickým způsobem. Při chemické výrobě buničiny se dřevěné štěpky vaří ve vařáku s určenými chemikáliemi. Vařením se lignin rozruší a dřevo se tak rozpadne na vlákna. Výsledným produktem chemické metody je pak podle použitých chemikálií buničina sulfátová, sulfitová nebo natronová.
Při sulfátovém (zásaditém) procesu se jako základní chemikálie používají sulfid sodný a hydroxid sodný. Varné pH se může blížit až hodnotě 13 a dosahuje se teplot nad 160 °C. Vzniklá buničina vyniká výbornými pevnostními vlastnostmi a používá se pro mechanicky namáhané papíry (například pro pytlový), výrobu ostatních druhů papíru a také pro výrobu vláknocementových desek.
V ČR se sulfátová buničina v současnosti vyrábí jen v papírnách ve Štětí, ve světě tento způsob zaujímá více než 80 % produkce buničiny a tento podíl nadále roste.
Při sulfitovém (kyselém) procesu je základem várky oxid siřičitý spolu s oxidem vápenatým či oxidem hořečnatým. Proces probíhá při pH 1–2 a až za teploty 140 °C. Vyrobená buničina má poměrně vysokou bělost, ale o něco nižší pevnost (ve srovnání se sulfátovou buničinou). Při procesu dochází ke kyselé hydrolýze celulózy i hemicelulóz, čímž vznikne množství jednoduchých cukrů (využitelné pro výrobu kvasnic z odpadních vod). V ČR se sulfitová buničina v současnosti vyrábí jen v Paskově [2].
Při natronovém způsobu se jako základní varná chemikálie používá hydroxid sodný. Nevýhoda tohoto způsobu spočívá v získání nižšího výtěžku buničiny s nižší pevností vláken. Proto se přidává k várce malé množství antrachinonu, který tyto negativní parametry redukuje a zlepšuje tak výsledné vlastnosti buničiny.
Experimentální příprava buničiny z ozdobnice
V první fázi výroby buničiny z ozdobnice čínské byla na Univerzitě Pardubice, Fakultě chemicko-technologické, Oddělení dřeva, celulózy a papíru provedena laboratorní příprava buničiny, a to v celkovém počtu šesti jednotlivých várek ve varných bombičkách. Získáno tak bylo celkem cca 120 g buničiny.
Ve druhé fázi pak došlo k poloprovozní várce buničiny v počtu tří vzorků s různým stupněm odvaření, čímž bylo získáno cca 1850 g buničiny.
Příprava a provedení laboratorní várky
Ozdobnice čínská byla pro zkoušky dodána ve formě nasekaných částí dlouhých cca 1 až 2 cm. Ozdobnice se před samotnou várkou žádným způsobem netřídila, ani nebyla prováděna sítová analýza vzorku. Části rostliny byly naváženy v požadovaném množství a vloženy do sáčků. Dále byly odebrány části vzorku do váženky pro určení vstupní vlhkosti a sušiny dle příslušných norem. Se zjištěnou vlhkostí se počítalo při vlastní várce ozdobnice na buničinu.
Do každé tlakové bombičky bylo naváženo 50 g vzduchosuché (tzn. nevysušené, s přirozenou vlhkostí; dále značeno zkratkou vs.) ozdobnice. K vlastní várce byl připraven varný louh obsahující 250 g NaOH na litr roztoku. Do poloviny nádobek (vzorky 4, 5, 6) byl přidán antrachinon, který zabraňuje alkalické degradaci celulózy a zajišťuje urychlení delignifikace, zvýšení výtěžku buničiny a snížení množství neprovarů.
Obr. 2: Laboratorní vařák buničiny pro šest tlakových nádob
Po naplnění varných nádobek ozdobnicí a varným louhem a následném doplnění vodou byly tyto utěsněny teflonovým těsněním a pevně uzavřeny ocelovým víkem. Tlakové nádoby byly vloženy do ocelové kostry (viz šipka na obr. 2), která za provozu rotuje kolem své horizontální osy. Přitom dochází ponořování nádob v určitých periodách do topné lázně naplněné silikonovým olejem. Vařák byl spuštěn a byl zaznamenán čas zapnutí.
Při první periodě vlastního vaření, což zahrnuje ohřev olejové lázně na 105 °C, dochází k impregnaci materiálu a tato perioda trvá alespoň 45 minut. Teplotní přírůstek tedy činí přibližně 2 °C/min.
Druhou periodou je ustálení teploty, kdy je teplota lázně stabilizována okolo 105 °C po dobu 30 minut.
Ve třetí periodě teplota lázně stoupá rovnoměrně až na konečnou teplotu dovářky, což je asi 160 °C. Doba trvání periody je 30 min.
V poslední periodě (neboli dovářce) se teplota udržuje na hodnotě 160 °C.
Po ukončení várky pro daný vzorek byla každá tlaková nádoba vyjmuta z vařáku, ochlazena ve vodní lázni a po snížení teploty vsádky byl jejich obsah přelit do připravené plastové nádoby s víčkem.
Nádobky byly vytaženy z vařáku v pořadí:
- 2 bez antrachinonu 4 s antrachinonem
- 1 bez antrachinonu 5 s antrachinonem
- 3 bez antrachinonu 6 s antrachinonem
| Číslo vzorku | Vstup [g] | Výtěžek [g] | Výtěžek [%] |
|---|---|---|---|
| 1 | 50 | 22,81 | 45,62 |
| 2 | 50 | 21,38 | 42,76 |
| 3 | 50 | 20,06 | 40,12 |
| 4 | 50 | 21,93 | 43,86 |
| 5 | 50 | 21,03 | 42,06 |
| 6 | 50 | 20,69 | 41,38 |
Toto číslování je dále zachováno i u aršíků dalších výsledků.
Materiál z každé bombičky byl rozmělněn a uložen do nádoby s cca 300 ml vody, kde byl ponechán půl hodiny k bobtnání. Dále byl každý vzorek rozvlákněn po dobu 2 až 3 minut za postupného přidávání vody až do objemu cca 1 litr. Následně byly vzorky přelity do odměrného válce o objemu 2 litry a přeléváním přes sítko několikrát důkladně promyty.
Výtěžek laboratorní várky (tab. 1) byl zjištěn zvážením všech aršíků a připočítáním zbytku, z něhož by už aršík nešel připravit.
Příprava a provedení poloprovozní várky
Příprava a provedení poloprovozní várky jsou obdobné jako u várky laboratorní. Do tlakové nádoby bylo v první várce naváženo 1250 g vs. ozdobnice, v dalších dvou várkách pak 1400 g.
Po naplnění varné nádoby vařáku (obr. 3) ozdobnicí, varným louhem a následném doplnění vodou byla nádoba uzavřena ocelovým víkem s gumovým těsněním a vařák byl spuštěn. Samotné vaření buničiny v poloprovozním vařáku probíhá tak, že nádoba rotuje dle své osy otáčení a je vyhřívána elektrickým odporovým drátem umístěným v plášti vařáku.
První dvě periody várky probíhaly stejně jako u laboratorní várky, při třetí periodě stoupala teplota lázně rovnoměrně až na konečnou teplotu dovářky, což je asi 160 °C. Doba trvání třetí periody byla u jednotlivých várek postupně 105, 85 a 95 minut. Ukončení dovářky se tak řídilo požadovaným časem délky várky.
Během várky byly zaznamenávány v pětiminutových intervalech čas a teplota. Po dosažení určeného času várky byla rotace tlakové nádoby zastavena a byl proveden odfuk par z vařáku do prostoru mimo provozní halu. Tento odfuk trval přibližně 30 minut a během této doby se snižovala teplota a tlak ve vařáku. Následně byl vařák otevřen a obsah byl přelit do připravené plastové vany (obr. 4).
Obr. 3: Poloprovozní vařák
Obr. 4: Vyprázdnění vařáku do vany
Poté byla buničina z ozdobnice zalita 40 l vody a takto ponechána cca 30 min. Vzorek byl postupně vyždímán a znovu zalit 40 l čisté vody. Tento proces praní se opakoval do dosažení vizuálně čisté prací vody a neutrální reakce vyzkoušené pH papírkem.
Obr. 5: Vyždímané hrudky buničiny z ozdobnice
Při ručním ždímání vyrobené buničiny se vytvořily malé hrudky (obr. 5). Vyždímaná buničina byla vložena do plastových sáčků a uchována v chladničce pro další použití.
Níže (v tab. 2) jsou uvedeny výtěžky poloprovozní várky, jejichž hodnoty se pohybují od 42 do 52 %.
| Číslo várky | Vstup [g] | Výtěžek [g] | Výtěžek [%] |
|---|---|---|---|
| 1 | 1250 | 525 | 42,0 |
| 2 | 1400 | 725 | 51,8 |
| 3 | 1400 | 624 | 44,6 |
Stanovení vlastností buničiny
| Číslo várky | Doba várky [min] | Kappa číslo [%] |
|---|---|---|
| 1 | 180 | 10,5 |
| 2 | 160 | 15,0 |
| 3 | 170 | 13,0 |
Stanovení Kappa čísla – poloprovozní várka
Kappa číslo buničiny charakterizuje stupeň provaření buničiny a indikuje obsah ligninu (tvrdost) nebo bělitelnost buničiny. Čím je jeho hodnota nižší, tím lépe je buničina provařená a obsahuje tak méně ligninu.
Stanovení pevnosti v tahu – laboratorní i poloprovozní várka
Na listovacím zařízení, tzv. archovači (obr. 6), byly vyrobeny zkušební aršíky, které se na řezačce upravily na obdélníky velikosti 120×150 mm. Po zvážení jednotlivých obdélníků a výpočtu jejich plošné hmotnosti byly zjištěny jejich průměrné tloušťky a byly z nich nařezány proužky o rozměrech 15×150 mm, jež byly použity k měření pevnosti v tahu odpovídající síle při přetrhnutí v N vztažených na mm2.
Pevnost v tahu byla měřena na přístroji Tiratest v klimatizované místnosti (teplota 23±1 ºC a relativní vlhkost vzduchu 50±5 %).
Zkušební proužky se upnuly mezi čelisti přístroje (vzdálenost upínacích čelistí vzorku byla 100 mm) a odečetla se síla v Newtonech, která odpovídala okamžiku přetržení. Ze získaných údajů pak byla stanovena pevnost v tahu (tab. 4).
Obr. 6: Listovací zařízení na výrobu aršíků pro zkoušky vlastností
| Č. vzorku | Čas vaření [min] | Síla [N] | Pevnost v tahu [MPa] |
|---|---|---|---|
| Laboratorní | |||
| 1 | 230 | 47,6 | 22,5 |
| 2 | 170 | 53,2 | 25,6 |
| 3 | 290 | 46,6 | 20,5 |
| 4 | 170 | 55,4 | 25,0 |
| 5 | 230 | 49,8 | 22,4 |
| 6 | 290 | 48,2 | 22,2 |
| Poloprovozní | |||
| 1 | 180 | 30,2 | 12,5 |
| 2 | 160 | 48,4 | 21,2 |
| 3 | 170 | 44,2 | 19,3 |
Výsledky pevností v tahu jednotlivých vzorků vypovídají o tom, že s vyšším stupněm odvaření (delší čas vaření) úměrně klesá pevnost v tahu. Pokles není významný, ale je patrný u laboratorní várky s antrachinonem i bez něj, stejně jako u poloprovozní várky.
Výroba vláknocementových desek
Buničina se sice primárně používá k výrobě papíru, ale pro stavebnictví jsou velice zajímavým produktem vláknocementové desky, které tuto surovinu také obsahují a v jejichž technologii je buničina nenahraditelná. Funguje jako tzv. nosič cementu, kdy na sebe váže cement obsažený ve výrobní směsi a vytváří jednotlivé tenké monovrstvy, ze kterých se deska postupně skládá.
Vyrobená buničina byla rozvlákněna pomocí holanderu (zařízení na rozvláknění buničiny) a použita k výrobě vzorků vláknocementových desek. Směs pro výrobu desek je tvořena převážně cementem 42,5 (78 %) a kromě buničiny (9 %) a perlitu (12 %) obsahuje dále polymerní výztužné vlákno (1 %).
Desky byly nejprve vyrobeny laboratorně – na poloprovozním zařízení pro výrobu vláknových desek. Postup výroby je jednoduchý; suroviny se několik minut homogenizují, poté se ze směsi v odvodňovacím zařízení za pomoci podtlaku odsaje většina vody, hotový polotovar se lisuje a poté jsou vzorky desek uloženy ve vlhkém prostředí ke zrání. Po 28 dnech byly na vzorcích desek provedeny zkoušky základních fyzikálně mechanických vlastností.
| Číslo vzorku | Objemová hmotnost [kg‧m−3] | Nasákavost [%] | Pevnost v tahu ohybem [MPa] |
|---|---|---|---|
| 1 | 1403 | 21,9 | 12,3 |
| 2 | 1339 | 22,3 | 10,6 |
| 3 | 1415 | 20,5 | 12,3 |
| 4 | 1391 | 21,6 | 11,7 |
Při tomto způsobu výroby lze získat desky o rozměrech cca 330×330 mm, ze kterých se oříznutím okrajů připraví zkušební vzorky o rozměrech 250×250 mm pro zkoušky uvedené v tab. 5.
Objemová hmotnost se určuje jako poměr hmotnosti vysušeného zkušebního vzorku k objemu stanovenému ponořením nasáknutého vzorku do vody. Objem je též možné vypočítat z rozměrů vzorku změřených nejméně na devíti místech vzorku.
Nasákavost se stanovuje při určování objemové hmotnosti ponořením do vody a následným vysušením, kdy je nasákavost definována jako procentuální nárůst hmotnosti zkušebního vzorku po nasáknutí vodou vůči hmotnosti vysušeného vzorku.
Pevnost v tahu ohybem se stanoví na tříbodovém ohybovém stroji s dvěma rovnoběžnými podporami a válcovým zatěžovacím břemenem. Zkušební těleso se pak postupně zatěžuje do okamžiku porušení takovou silou, aby porušení nastalo za dobu 10 až 30 s [3].
Provozní výroba buničiny a vláknocementových desek
Získané informace ze všech provedených prací posloužily k naplánování provozní výroby většího množství buničiny. K tomu bylo použito cca 900 kg řezanky ozdobnice, která byla podobně jako u laboratorní a poloprovozní várky zpracována natronovým způsobem na buničinu. Výtěžek se pohyboval okolo 45 %, tudíž bylo získáno cca 400 kg buničiny ve vlhkém stavu, neboť technologická linka neumožňuje vysušení a listování takového (malého) množství buničiny.
Obr. 7: Provozně vyrobená buničina z ozdobnice čínské
Buničina byla následně použita k provozní výrobě vláknocementových desek Cemvin. Zpracování spočívalo v rozvláknění a mletí buničiny dle podmínek technologie a ve smíchání s dalšími surovinami dle receptury výrobního závodu. Poté již proběhla vlastní výroba desek tzv. Hatschekovou technologií, jež je velmi specifická a vyžaduje přesně definované surovinové složení směsi i nastavení strojního zařízení. Jen při dodržení všech potřebných parametrů je možné získat kvalitní výsledný produkt.
Bylo vyrobeno několik vzorových desek, které jsou v současné době v procesu zrání, po němž bude následovat zkoušení jejich vlastností.
Závěr
V rámci výzkumu a vývoje byly vyrobeny vzorky buničiny z ozdobnice čínské natronovým způsobem. Jednalo se celkem o šest vzorků laboratorních a tři vzorky poloprovozní. Na vzorcích byly provedeny zkoušky základních parametrů, které buničinu charakterizují. V příspěvku jsou uvedeny výsledky vybraných vlastností, a sice stupeň provaření a pevnost v tahu. Stupeň provaření je logicky nejnižší u nejdéle vařené buničiny (nejlépe provařená), ta má ale také nejnižší pevnost v tahu. Nejvyšší pevnost má buničina vařená 160 minut, u které byl získán také nejvyšší výtěžek várky 52 %.
Ze získané buničiny byly vyrobeny vzorky vláknocementových desek. Na nich byly provedeny zkoušky základních fyzikálně mechanických vlastností. Z porovnání výsledků s hodnotami, které byly dříve dosaženy při zkouškách desek s komerční dřevitou buničinou, vyplývá, že desky s obsahem buničiny z ozdobnice mají srovnatelné vlastnosti s deskami s obsahem buničiny ze dřeva.
Úspěšně byla také realizována provozní výroba buničiny ve větším množství, která byla následně použita rovněž pro provozní výrobu vláknocementových desek Cemvin.
Poděkování
Tento příspěvek byl vypracován díky institucionální podpoře na dlouhodobý koncepční rozvoj výzkumné organizace poskytnuté MPO ČR.
Literatura
- [1] Energetické rostliny – Úvod [online]. 2008. [cit. 2015-10-30]. Dostupné z: http://www.energetickerostliny.cz/
- [2] Buničina – Wikipedie. 2001–. Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation [cit. 2015-10-30]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Buni%C4%8Dina
- [3] ČSN EN 12467. Vláknocementové ploché desky – Specifikace výrobku a zkušební metody. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2013. 52 s.
The article describes use of Miscanthus sinensis for a manufacturing of pulp. Miscanthus sinensis is a perennial plant, its cultivating is easy and it can be used for various purposes.
In the first phase of the pulp preparation from Miscanthus, a laboratory preparation of pulp was done at the University of Pardubice in total amount of 6 individual batches. In the second phase a selected laboratory batch was prepared in a pilot production process and ca. 2000 g of pulp in total was generated for further tests.
Mechanical properties and also other properties typical for pulp were determined on prepared samples. The produced pulp was used in the next step for a preparation of fibre-cement boards. Their basic physico-mechanical parameters were also determined.
After evaluation of all data that we have, production of 500 kg of pulp was done. Then the pulp was used to produce fibre-cement boards in a mass production.
