SODYUM HİDROKSİT VE ETİL ALKOL İLE MUAMELE EDİLMİŞ AĞARTILMIŞ SÜLFAT HAMURUNUN BAZI ŞİŞME ÖZELLİKLERİNDEKİ DEĞİŞİMLERİN BELİRLENMESİ ÖZET

Transkript

1 III. Ulusal Karadeniz Ormancılık Kongresi Mayıs 2010 Cilt: V Sayfa: SODYUM HİDROKSİT VE ETİL ALKOL İLE MUAMELE EDİLMİŞ AĞARTILMIŞ SÜLFAT HAMURUNUN BAZI ŞİŞME ÖZELLİKLERİNDEKİ DEĞİŞİMLERİN BELİRLENMESİ Derya USTAÖMER 1 ve Mustafa USTA 1 1 Karadeniz Teknik Üniversitesi, Orman Fakültesi, Lif ve Kağıt Teknolojisi, uderya@ktu.edu.tr ÖZET Bu çalışmada; ağartılmış sülfat hamuru, sodyum hidroksit() in ve etil alkol(c 2 H 5 OH) ün %3, %5 konsantrasyonlarıyla 5, 15 dakika sürelerde muamele edilmiş ve daha sonra dövme işlemine uğratılmıştır. Böylece; bu kimyasal maddelerle muamele edilmiş hamurların; dövme işlemi sonrası su tutma kapasiteleri(wrv), serbestlik derecesi( o SR) başına düşen enerji tüketim miktarları, lif özelliklerinde meydana gelen değişimler ile yine bu hamurlardan üretilen kağıtların bazı özelliklerindeki değişimler irdelenmiştir. Sonuç olarak, kimyasal maddelerin konsantrasyon ve uygulama süresi artışı ile liflerin şişmesi artmış, kağıt özellikleri iyileşmiştir. Özellikle, ile muamele edilen hamur örneklerinden, etil alkol ile muamele edilen hamur örneklerine kıyasla daha olumlu sonuçlar elde edilmiştir Anahtar Kelimeler: Şişme, lif özellikleri, dövme, sodyum hidroksit, etil alkol THE DETERMINATION OF CHANGES ON THE SOME SWELLING PROPERTIES OF BLEACHED SULPHATE PULP TREATED WITH SODIUM HYDROXIDE AND ETHYL ALCOHOL ABSTRACT In this study, bleached sulphate pulp was treated with %3 and %5 concentration of sodium hydroxide() and ethyl alcohol(c 2 H 5 OH) for 5, 15 min. and beating was carried out for pulp after this chemical treatment. And, water retention value(wrv),energy consumption amount to per o SR, changes on the fiber properties and properties of the paper produced from this pulps were determined. As a result, fiber swelling increased with increasing chemical concentration and reaction time. Also, paper properties improved. Especially, It was found that the pulp treated with gave better results than the pulp treated with ethyl alcohol. Keywords: Swelling, fiber properties, beating, sodium hydroxide, ethyl alcohol 1.GİRİŞ Şişme, kağıt üretimi için son derece önemli olan ve liflerin su veya kimyasal maddelerle temas etmesi sonucunda görülen fizikokimyasal bir olaydır. Su molekülleri, lif içindeki boşluklara nüfuz ederek polar bir çözücü gibi hidrojen bağlarını açmakta ve selüloz liflerini şişme için uygun hale getirmektedir. Şişme esnasında selüloz molekülleri arasındaki hidrojen bağları kırılmakta ve su molekülleri hidrojen bağları arasına yerleşmektedir. Böylece, su molekülleri hidrojen bağları yardımıyla selüloz liflerinin amorf kısımlarında bulunan serbest OH gruplarına bağlanmakta ve lifler bu olayın sonucu olarak şişmeye başlamaktadır. Şişmenin derecesi ise lifin taşıdığı serbest hidroksil gruplarına bağlı olmaktadır (Luukko ve Maloney, 1999; Hafızoğlu,1982). 2020

2 Hücre çeperi içerisindeki suyun miktarı, yani lifin şişme derecesi hamur özellikleri açısından çok önemli ve gereklidir. Şişme; kağıt üretim prosesinde katkı maddelerinin adsorpsiyonu da dahil olmak üzere tüm safhaları etkilemektedir. Şişme; ayrıca ıslak sonda, pres kısmında suyun uzaklaştırılmasında, kurutma kısmında, bağ yapısında etki göstermektedir(maloney vd., 1999). Su içerisinde hamur liflerinin şişebilirliği, bu liflerden kağıt yapımı ve kağıt özellikleri ile yakından ilgili olduğu için önemli bir parametredir (Ottestam vd., 1991). Selülozun şişmesini etkileyen birçok faktör vardır. Kristalen ve amorf bölgelerin oranı, lif yapısındaki OH grupları miktarı, çözücünün cinsi ve konsantrasyonu gibi birçok değişken bu faktörler arasında sayılabilir. Ayrıca, şişmenin derecesi; sıcaklık, ph, asidik gruplar, elektrolit konsantrasyonu, vb. birçok çevresel ve kimyasal faktörlerin etkisine de bağlı olarak değişme göstermektedir(hafızoğlu,1982; Scallan, 1983; Lindström ve Carlsson, 1982). Dövme ise, liflere istenilen özellikleri kazandırmak için sulu ortamda uygulanan mekanik bir etkidir. Bu işlem, büyük ölçüde enerji tüketmekte ve tüketilen enerjinin çoğu lif yarılmasına, saçaklanmaya ve şişmeye harcanmaktadır. Dolayısıyla şişme ve dövme arasında önemli bir ilişki bulunmaktadır. Lif açma makinelerinden gelen lifler su ile doymuş haldedir; ancak, lifler az şişmiş ve nispeten serttir. Dövme sırasında mekanik etkiler ile liflerin yapısı gevşeyerek daha fazla su alırlar, esneklik ve yumuşaklık kazanırlar. Bu durumdaki lifler daha iyi bağ oluşturduğu, yassılaşabildiği ve sıkıştırılabildiği için kağıt yapımına daha uygundur(eroğlu ve Usta, 2004). Bu çalışmada; zor dövülme yeteneğine sahip ağartılmış sülfat hamurları, etil alkol ve ile muamele edilmiş ve bu kimyasal maddelerin etkisiyle hamurun şişme özelliklerinde ve diğer bazı özelliklerinde meydana gelen değişimler incelenmiştir. 2.YÖNTEM 2.1. Yapılan çalışmalar Bu çalışmada hammadde olarak; ağartılmış sülfat selülozu, kimyasal madde olarak ise etil alkol ile kullanılmıştır. İlk olarak, ağartılmış sülfat selülozu hollandere konularak lif açma işlemi uygulanmış ardından, selüloz liflerinin şişmesi ve buna bağlı olarak ta hamurun daha kolay dövülmesi amacıyla, ortama %3,%5 konsantrasyonlarda ve etil alkol ilave edilmiştir. Muamele süresi, denemelerde 5 ve 15 dakika olarak alınmıştır. Bu işlemleri takiben hamura dövme işlemi uygulanmıştır. Tüm hamur gruplarında dövme süresini sabit alabilmek amacıyla, kontrol hamuru, standartlarda belirtilen 50 o SR e kadar dövülmüş ve bu esnada geçen süre tespit edilmiştir. Dövme işleminden sonra liflerin morfolojik özellikleri, su tutma kapasitesi (WRV) değerleri ile yine bu hamurlardan elde edilen kağıtların bazı fiziksel ve optik özellikleri belirlenmiştir. Belirlenen bu özelliklerinin yanı sıra hamurların dövme işlemi sırasında harcadıkları enerji tüketim miktarları da tespit edilmiştir Lif Boyutlarının Belirlenmesi Deneysel işlemlerde belirtildiği üzere; dövme işlemi sonrası hamurdan lifler alınarak preparatlar hazırlanmış ve daha sonra hazırlanan bu preparatlar, vizopan mikroskopta lif genişliğix255, lif çeper kalınlığıx255 ve lümen çapıx255 büyütmeyle ölçülmüştür. 2021

3 2.3. WRV nin Belirlenmesi WRV (Water Retention Value) yöntemi; su tutma kapasitesinin belirlenmesi için kullanılan yöntemlerin en çok tercih edilenidir. Diğer yöntemlere göre daha basit ve hızlıdır. WRV nin belirlenmesindeki ana prensip, kontrollü koşullar altında lifler arasındaki suyun uzaklaştırılmasıdır.yöntemde, hamur örneği alınarak belirli bir süre ve belirli bir santrifüj kuvveti altında santrifüjleme işlemine tabi tutulur, ağırlığı tartılır, kurutulur, sonra ağırlığı tekrar tartılarak sonuçlar gram cinsinden ifade edilir(maloney vd., 1999; Ottestam vd.,1991) Test Kâğıtlarının Elde Edilmesi Farklı konsantrasyonlarda ve sürelerde ve etil alkol ile muamele görmüş hamurlardan dövme işlemi sonrası test kağıtları yapılmış ve bu kağıtların kopma uzunluğu, patlama indisi, yırtılma indisi ve parlaklık değerleri belirlenerek kontrol grubu test kağıtları ile kıyaslanılmıştır Enerji Tüketim Miktarlarının Belirlenmesi Kimyasal maddelerle muamele edilmiş selüloz liflerinin, kontrol grubunun dövülmesi esnasında tespit edilen süre esas alınarak yapılan dövme işlemleri sırasında harcanan enerji miktarları, hollandere bağlı bir elektrik sayacı yardımıyla belirlenmiştir. Bu sayaçtan, dövme işleminin başlangıcında ve sonunda olmak üzere iki değer okunmuş ve aradaki fark, serbestlik derecesine de( o SR) oranlanarak enerji tüketim miktarı(etm) olarak tespit edilmiştir. 3. BULGULAR ve DEĞERLENDİRME 3.1. Lif Morfolojisine ait Özelliklerdeki Değişmeler Kimyasal madde ilavesinden sonra yapılan dövme işlemi sonucunda liflerin morfolojik yapısında, kimyasal madde konsantrasyonuna ve uygulama süresine bağlı olarak değişimler meydana gelmiştir. Lif genişliği, çeper kalınlığı, lümen çapı değerlerinde meydana gelen bu değişimler Şekil 1, Şekil 2, Şekil 3 te verilmiştir. 2022

4 60 58 Lif genişliği(μm) Şekil 1. Farklı konsantrasyonda ve sürede ilave edilen ve etil alkolün dövme işlemi sonrası lif genişliği üzerine etkisi Çeper kalınlığı(μm) 12,2 11,9 11,6 11, ,7 10,4 10,1 9,8 9,5 Şekil 2. Farklı konsantrasyonda ve sürede ilave edilen ve etil alkolün dövme işlemi sonrası çeper kalınlığı üzerine etkisi 2023

5 Lümen çapı(μm) Şekil 3.Farklı konsantrasyonda ve sürede ilave edilen ve etil alkolün dövme işlemi sonrası lümen çapı üzerine etkisi Şekil 1, Şekil 2, Şekil 3 incelendiğinde; ve etil alkol muameleli örneklerin lif genişliği, çeper kalınlığı ve lümen çapı değerlerinin, artan kimyasal madde konsantrasyonu ve uygulama süresine bağlı olarak arttığı görülmektedir. Dolayısıyla, kimyasal maddelerin, liflerin iç yapısına nüfuz ederek boşlukları doldurduğu ve lifin morfolojik yapısında genişlemeye neden olduğu söylenebilir. Yapılan ölçümler sonucunda; etil alkol ile %3 konsantrasyonda elde edilen tüm ölçüm değerlerinin kontrol örneğine yakın olduğu ve etil alkol ile elde edilen şişirici etkinin ile elde edilen şişirici etkiden daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Özellikle %5 konsantrasyonda in 15 dk uygulandığı örneklerden en yüksek lif genişliği, çeper kalınlığı ve lümen çapı değerleri elde edilmiştir WRV deki Değişmeler ve etil alkolün %3 ve %5 konsantrasyonuyla muamele edilen ağartılmış sülfat hamurlarının lif yapısında, kimyasal maddelerin etkilerini gözlemlemek amacıyla WRV deneyleri yapılmış olup bu deneyler sonucunda elde edilen ve şişmenin derecesini gösteren WRV değerleri Şekil 4 te verilmiştir. 2024

6 WRV(%) 4 3,6 3,2 2,8 2,4 2 1,6 1,2 0,8 0,4 0 Şekil 4.Farklı konsantrasyonda ve sürede ilave edilen ve etil alkolün dövme işlemi sonrası WRV üzerine etkisi Bu sonuçlara göre; konsantrasyon artışı ve süreye bağlı olarak hamur liflerinin WRV değerleri artış göstermiş, özellikle ile muameleli örneklerde görülen şişme değerlerinde kontrol örneğine kıyasla daha belirgin bir fark tespit edilmiştir. ün şişirici etkisi, Şekil 4 tende görüleceği üzere; e oranla daha düşük düzeyde seyretmiş, değer olarakta hemen hemen kontrole yakın ya da bir miktar daha yüksek olarak bulunmuştur. Buna göre, en düşük WRV değeri %3 konsantrasyonda etil alkolün 5 dk süreyle uygulandığı hamur örneklerinden elde edilirken, en yüksek WRV değeri %5 konsantrasyon ve 15 dk. sürede uygulanan örneklerde tespit edilmiştir Enerji Tüketim Değerlerindeki Değişmeler Etilalkol ve ün %3 ve %5 konsantrasyonları ile muamele edilen ağartılmış sülfat hamurları ve kontrol örneğinin, dövme işlemi sırasında tükettikleri enerji miktarının, yine bu hamurların o SR değerlerine oranlanması ile elde edilen değişim değerleri Şekil 5 te verilmiştir. 2025

7 (ETM.-kwh/ o SR) 0,005 0,0045 0,004 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0, süre(dk.) Şekil 5.Farklı konsantrasyonda ve sürede ilave edilen ve etil alkolün serbestlik derecesi başına düşen enerji tüketim değerleri(etm) üzerine etkisi Şekil 5 ten görüldüğü üzere, muameleli örneklerden elde edilen değerler, etil alkol ile elde edilen değerlerden ve kontrol örneğinin değerinden daha düşüktür. Bu durumun; in şişirici etkisinin etil alkole göre daha yüksek olmasının bir sonucu olduğu düşünülmektedir. Çalışmada ile elde edilen WRV değerlerinin de yüksek çıkması muhtemelen, hamur liflerinin şişerek daha esnek hale gelmesine ve daha kolay dövülmesine sebep olmuştur. Şekil 5 incelendiğinde; etil alkolün şişirici etkisinin daha sınırlı olması nedeniyle, bu madde ile muameleli örneklerin dövülme işlemi sırasında elde edilen tüketim değerlerinin, kontrol değerlerine daha yakın olduğu görülmektedir Kağıt Özelliklerindeki Değişmeler ve etil alkol ile muameleli ve dövme işlemine uğratılmış hamurlardan elde edilen kağıtların kopma uzunluğu, patlama indisi, yırtılma indisi ve parlaklık değerleri Şekil 6, Şekil 7, Şekil 8 ve Şekil 9 da verilmiştir. Buna göre; kimyasalların şişirici etkilerine bağlı olarak kağıt özelliklerinde değişimlerin olduğu ve bu değişimlerin kimyasal madde konsatrasyonu artışına ve uygulama süresine bağlı olarak gerçekleştiği görülmektedir. 2026

8 Kopma uzunluğu(km) 8,2 8 7,8 7,6 7,4 7,2 7 6,8 6,6 6,4 Şekil 6. Farklı konsantrasyonda ve sürede ilave edilen ve etil alkolün dövme işlemi sonrası üretilen kağıtların kopma uzunluğu değerleri üzerine etkisi Şekil 6 dan görüldüğü üzere; kopma uzunluğu değerleri, konsantrasyon ve süre artışına bağlı olarak artmış; tüm değerler kontrol değeriyle kıyaslandığında daha yüksek olarak bulunmuştur. Buna göre, en yüksek kopma uzunluğu değerleri % 5 konsantrasyon ve 15 dk. muamele sürelerinde elde edilmiştir. muamelesi ile etil alkole kıyasla daha yüksek kopma uzunluğu değerlerine sahip kağıtlar elde edilmiştir. 6 Patlama indisi(kpa.m 2 /g) Şekil 7. Farklı konsantrasyonda ve sürede ilave edilen ve etil alkolün dövme işlemi sonrası üretilen kağıtların patlama indisi değerleri üzerine etkisi Test kağıtlarının patlama indisi değerleri, Şekil 7 den görüldüğü üzere; konsantrasyon artışı ve süreyle doğru orantılı olarak artış göstermiştir. En yüksek değerler, maddelerin en yüksek konsantrasyonda uygulanması durumunda elde edilirken; etil alkol 2027

9 muameleli örneklerde, muameleli örneklere kıyasla daha düşük patlama indisi değerleri elde edilmiştir. 10 Yırtılma indisi(mnm 2 /g) 9,5 9 8,5 8 7,5 7 Şekil 8. Farklı konsantrasyonda ve sürede ilave edilen ve etil alkolün dövme işlemi sonrası üretilen kâğıtların yırtılma indisi değerleri üzerine etkisi Şekil 8 de verilen yırtılma indisi değerleri incelendiğinde; bu değerlerin, diğer kağıt özelliklerinde olduğu gibi etil alkol ve konsantrasyonu ve muamele süresi artışıyla artış gösterdiği görülmektedir. En düşük ve kontrole en yakın değer; etil alkolün %3 konsantrasyonda 5 dk süre ile uygulandığı hamurlardan yapılan kağıt örneklerinden elde edilmiştir. Çalışmada tespit edilen kopma uzunluğu, patlama indisi, yırtılma indisi değerleri genel olarak değerlendirildiğinde; şişmeye bağlı olarak kağıt özelliklerinin iyileştiği ve kontrole kıyasla daha yüksek değerlerin elde edildiği görülmektedir. Çalışma sonucunda, in etil alkole kıyasla şişme özelliklerinde daha etkili olduğu bulunmuş ve bu etkinin aynı zamanda kağıt özellikleri üzerinde de olumlu bir şekilde devam ettiği görülmüştür. Dövme ve şişme, özellikle kağıt üretimi düşünüldüğünde birbiriyle oldukça ilişkilidir. Şişmenin artış göstermesi; liflerin esnekleşmesine, plastikleşmesine ve daha kolay dövülmesine sebep olacağından daha kaliteli kağıt üretilmesi söz konusudur. 2028

10 Parlaklık(%) Şekil 9. Farklı konsantrasyonda ve sürede ilave edilen ve etil alkolün dövme işlemisonrası üretilen kâğıtların parlaklık değerleri üzerine etkisi Şekil 9 da verilen parlaklık değerleri üzerinde ve etil alkolün etkileri incelendiğinde; konsantrasyon artışı ve süreyle birlikte bu değerlerin azaldığı görülmektedir. Özellikle etil alkol muameleli kağıtlar ile muameleli kağıtlardan daha yüksek değerler elde edilmiştir. in sarartıcı etkisi, test kağıtlarının üretimi safhasında da gözlemlenmiştir. Bu madde ile muamele edilen hamurlardan, etil alkol ile muamele edilen hamurlara kıyasla oldukça sarı renkte kağıt üretimi gerçekleştirilmiştir. Şekil 9 dan görüldüğü üzere; en düşük parlaklık değeri, in %5 konsantrasyonda 15 dk. süre ile uygulandığı örneklerden elde edilmiştir. 4. SONUÇLAR Çalışma sonucunda; ve etil alkol uygulanması ile lif morfolojisinde değişimler meydana gelmiş, buna göre; kimyasal madde konsantrasyonu ve muamele süresi artışına bağlı olarak liflerin şişme miktarı artış göstermiştir. muamelesi ile kontrol grubuna yakın değerler elde edilirken ve şişme etkisi sınırlı kalırken, muamelesi ile çalışma genelinde daha iyi sonuçlar tespit edilmiştir. Kimyasalların etkisi ile liflerde meydana gelen şişmeye bağlı olarak, hamurun dövülmesi kolaylaşmış ve bu esnada harcanan enerji tüketim miktarları azalma göstermiştir. Yine, kimyasalların etkisi sonucu şişen hamur liflerinden üretilen kağıtların özellikleri olumlu yönde etkilenmiştir. in daha kuvvetli şişirici özellik göstermesi sebebiyle, bu kimyasal madde ile etil alkole kıyasla daha dirençli kağıt üretimleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, etil alkollü liflerden üretilen kağıtların parlaklığının kontrole daha yakın olduğu, kullanımı ile parlaklık değerlerinin azaldığı tespit edilmiştir. 2029

11 5. KAYNAKLAR Eroğlu, H., Usta, M., 2004, Kağıt ve Karton Üretim Teknolojisi, K.T.Ü. Basımevi, Trabzon. Hafızoğlu, H., 1982, Orman Ürünleri Kimyası, KTÜ, Orman Fakültesi, Yayın No:52, Trabzon. Lindström, T., and Carlsson, G., 1982, The Effect of Chemical Environment on Fiber Swelling, Svensk Papperstidning, 85. (3), Luukko, K., and Maloney, T.C., 1999, Swelling of Mechanical Pulp Fines, Cellulose, 6: Maloney, T. C., Laine, J.E., Paulapuro, H.,1999, Comments on the Measurement of Cell Wall Water, September, Vol.82,N.9, TAPPI JOURNAL. Ottestam, C., Engstrand, P., Htun, M., Sjögren, B., Ölander, K., 1991, A Modified WRV Method for Measuring the Swelling Properties of Mechanical Pulps, International Mechanical Pulping Conference,June, Minneapolis, TAPPI press. Scallan A.M., 1983, The Effect of Acidic Groups on the Swelling of Pulps:a rewiev, Vol.66, No.11, TAPPI JOURNAL. 2030