Delist.ru

Развитие научных основ и совершенствование процессов технологии бумаги и картона из макулатуры (02.10.2007)

Автор: Дулькин Дмитрий Александрович

Полученные данные о характере массы из вторичного волокна и его свойствах было важно оценить по критерию «критическая длина волокна». Являясь интегральной характеристикой, критическая длина волокна учитывает прочность отдельного волокна, его адгезионную способность, грубость и способность к уплотнению во влажном состоянии. Имея значительно меньшую, в сравнении с первичными волокнами, длину волокна, преобладание средне- и коротковолокнистых фракций и слабо развитую внешнюю и внутреннюю поверхность, вторичные волокнистые полуфабрикаты из разных марок макулатуры должны обнаруживать превалирование длины волокна, близкой или менее критической длины волокна. Сравнительно низкая механическая прочность бумажных и картонных листов из необработанных макулатурных волокон, особенно по сопротивлению продавливанию и сопротивлению разрыву, может служить тому подтверждением. Применяя различные методы обработки к макулатурному волокну, можно изменять механические и другие свойства бумажно-картонных материалов в широком диапазоне. Очевидно, что конкретные материалы будут характеризоваться присущими им деформационными и прочностными свойствами, а с помощью критической длины волокна можно эти свойства прогнозировать.

Следовательно, формула переработки макулатуры в волокнистые полуфабрикаты сводится к максимально возможному количественному выделению волокна из макулатуры с приданием ему свойств, приближенных к первичным полуфабрикатам.

Глава 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА С ВОДОЙ

И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ЕГО БУМАГООБРЗУЮЩИХ СВОЙСТВ

Решение проблемы упрочнения и, как следствие, обеспечения производства продукции на основе вторичного волокна из макулатуры с требуемыми показателями физико-механических свойств, находится в области увеличения сил связи между волокнами. А эффективным способом разностороннего воздействия на свойства вторичного волокна являются гидратационные процессы в водно-волокнистых системах при разволокнении, фракционировании, размоле, химической активации и формировании листов бумаги и картона.

Определение степени помола волокнистой массы по методу Шоппер–Риглера основано на водоотдаче массы. Результаты измерений степени помола и средневзвешенной длины волокна, традиционно определяемых по этому методу, не дают объективной оценки готовности волокнистой массы и состояния технологических стадий процесса приготовления макулатурной массы для производства бумаги на бумагоделательных машинах (БДМ). Связано это с несовершенством показателя, характеризующего степень помола бумажной массы. Более информативным для решения поставленной задачи – объективной оценки качества и степени готовности бумажной массы для производства бумаги и картона – может быть водоудержание. Впервые этот показатель был предложен Джайме при изучении явления ороговения вторичного волокна. Он же ввел и термин «ороговение». По Джайме, этот показатель определяется по формуле, %:

Ороговение = [(WRV0 – WRV1)/ WRV0] · 100, (1)

где WRV0 – водоудержание первичного волокна; WRV1 – водоудержание вторичного волокна после роспуска (WRV – сокращение с нем. Wasserruckhalten-vermogen – водоудерживающая способность, или водоудержание).

Таким образом, характеристикой ороговения является относительное уменьшение водоудержания вторичного волокна по сравнению с водоудержанием первичного волокна, т.е. чем сильнее ороговение волокна, тем ниже его водоудержание.

Метод определения водоудержания по Джайме отличается высокой корреляцией зависимости водоудержания от способности волокна к взаимодействию с водой. Метод основан на определении массы прочносвязанной воды сушкой, после удаления свободной воды центрифугированием влажной отливки с силой 3000 g. Метод позволяет определить водоудержание массы и ее отдельных фракций, а также установить влияние отдельных фракций по длине волокна на основные бумагообразующие свойства составляемых композиций. Таким образом, используя ступенчатое фракционирование с помощью набора сит, можно определить водоудержание любой композиции массы. Имея эти характеристики качества волокнистого материала, можно прогнозировать ожидаемые прочностные и другие потребительские свойства конечной продукции. Полученная информация полезна и при принятии решения о режимах размола и сортирования макулатурной массы.

Исследованиями установлено, что необратимое снижение водоудержания волокна начинается с сухости 30 … 35 % и продолжается до 70 … 80 % в зависимости от степени помола массы. Усадка и ороговение достигают наибольших, а водоудержание наименьших значений при удалении из листа свободной и части адсорбированной влаги (сухость 80 … 88 %).

Резюмируя вышеизложенное, можно определенно подтвердить причину снижения бумагообразующих свойств первичных волокон – их ороговение при сушке бумаги. Поэтому силы связи между волокнами, сопротивления разрыву, излому, продавливанию и удлинение до разрыва бумаги из 100 % макулатуры, при прочих равных условиях, всегда существенно ниже соответствующих показателей бумаги из свежих волокон.

В целях получения новых данных о взаимосвязи водоудержания с главными свойствами волокнистых полуфабрикатов и адаптации этого показателя к действующему производству ОАО «Полотняно-Заводская бумажная фабрика» был проведен ряд экспериментов. Для исследований использовалась макулатура, характерная для условий этой фабрики (преимущественно запечатанные обрезки типографской бумаги и срывы); композиция – 40 % целлюлозы и 60 % макулатуры. Влияние мелкой фракции волокна на водоудержание композиции массы показано на рис. 2. Мелкую фракцию волокна, составляющую в волокнистой массе 27 % и имеющую WRV = 125 %, в дозированных количествах снова вводили в массу.

Полученная экспериментальная зависимость является достаточно обоснованной иллюстрацией водоудержания как характеристики свойств макулатурной массы.

Во-первых, зависимость WRV от содержания в массе коротковолокнистой фракции – прямолинейна, что позволяет легко прогнозировать WRV других композиций. Контрольный опыт подтвердил это. Во-вторых, она отражает значительное влияние содержания коротковолокнистой фракции на WRV. Масса из 100 % коротких волокон имеет WRV почти в два раза больше, чем исходная масса. Полученные данные подтверждают необходимость учета влияния коротковолокнистых фракций на водоудерживающие свойства при составлении композиций массы, так как от водоудержания массы в большой степени зависят следующие основные факторы технологии: размол и его режим; скорость обезвоживания массы на сетке БДМ, в прессовой и сушильной частях; анизотропия листа и его физико-механические показатели. Результаты исследований обосновывают важность включения фракционирования массы в технологическую схему производства.

Учитывая значимость размола для придания бумагообразующих свойств волокну, важно было оценить изменения надмолекулярной структуры в процессе размола ряда полуфабрикатов (целлюлоза сульфатная высокого выхода, целлюлоза нейтрально-сульфитная, целлюлоза сульфатная беленая лиственная – смесь березы и осины 1:1), которые составляют основу макулатурного сырья для исследуемых в диссертации тест-лайнера, флютинга и писче-печатной бумаги. Для этих целей применялся метод ИК-Фурье спектроскопии в диапазоне 400 … 3700 см-1 с разрешением 2 см-1 и числом усреднений 150 сканов, позволивший получить информацию о качественном и количественном изменении надмолекулярной структуры целлюлозы; качественном и количественном изменении содержания остаточного лигнина; изменении содержания остаточной прочносвязанной воды и ряда функциональных групп в образцах целлюлозы при размоле и сушке двумя методами (под вакуумом на листоотливном аппарате (ЛОА) и на электросушильной горке при температуре 135 (C).

Исследования позволили сравнить исследуемые волокнистые полуфабрикаты по следующим важным свойствам: способность к размолу, динамика водоудерживающей способности (WRV) и физико-механических свойств. По определению, WRV – характеристика относительного содержания прочносвязанной воды в волокнистом полуфабрикате. В то же время, прочносвязанная волокном вода является функцией его надмолекулярной структуры. Процесс размола затрагивает структуру макромолекул целлюлозы, что проявляется в изменении соотношения кристаллических и аморфных областей в пользу прироста последних. Эти изменения отражаются на содержании остаточной воды в целлюлозе и могут быть охарактеризованы показателем WRV.

Содержание прочносвязанной воды, или WRV, связано также со способностью волокна к внутреннему набуханию, а оно, в свою очередь, зависит от степени внутреннего фибриллирования волокна. Поскольку одним из положительных и желаемых проявлений размола является внутреннее фибриллирование волокна, а по существу изменение соотношения кристаллических и аморфных областей, то WRV является мерой этого изменения. Очевидно, что WRV различных волокнистых полуфабрикатов дает им относительную сравнительную оценку по уровню внутреннего набухания и фибриллирования. Большему WRV соответствует большее набухание и фибриллирование, и наоборот. Учитывая, что степень внутреннего набухания и фибриллирования волокна является одним из определяющих факторов межволоконного связеобразования и формирования структуры листа, WRV можно применить в качестве интегрального показателя оценки готовности волокнистой массы для изготовления бумаги и картона. В плане изучения возможности такого применения WRV представлялось важным найти зависимость между степенью помола волокнистого полуфабриката, WRV и изменениями надмолекулярной структуры, которые обусловливают уровень WRV.

Для этого применен метод ИК-Фурье спектроскопии. По значениям соответствующих спектральных параметров было установлено, что доля упорядоченных областей Ц Iуп в структуре волокна уменьшается с повышением степени помола массы. Прослеживается следующая закономерность изменения WRV волокна при размоле – с увеличением степени помола от 14,5 до 48,0 (ШР WRV повышается от 89,2 до 152,7 %. Таким образом, экспериментально подтверждается факт внутреннего фибриллирования волокна при размоле и увеличения гидрофильности и водоудержания волокна, характеризуемого WRV. Следствием этого является большой прирост показателей физико-механической прочности отливок бумаги. Так, увеличение степени помола от 14,5 до 48,0 (ШР обусловливает рост сопротивления расслаиванию от 35,0 до 234,5 кПа и абсолютного сопротивления продавливанию от 22,0 до 258,0 кПа.

Выполненные исследования позволили получить новые данные о поведении надмолекулярной структуры волокна в процессах размола. С одной стороны, они дополняют теорию размола, с другой – являются полезными для организации процесса размола волокнистых полуфабрикатов. По результатам серии исследований зависимости основных характеристик вторичного волокна (водоудержание, размеры и механическая прочность) от условий размола и степени помола массы, представленных на одной из диаграмм для случая с использованием технической воды (рис. 3), установлено следующее:

– имеет место корреляция показателей разрывной длины и водоудерживающей способности массы для всех исследованных вариантов;

– более четкая корреляция свойств полуфабрикатов прослеживается при использовании технической воды для приготовления массы;

– при использовании оборотной воды на разбавление взвешенные компоненты, содержащиеся в ней, оказывают влияние на водоудержание и разрывную длину в сторону завышения степени помола;

– по мере развития удельной поверхности волокон в процессе размола снижается скорость водоотдачи волокном, вызываемая повышенным водоудержанием массы; разница в показателях разрывной длины становится менее контрастной;

– WRV менее зависимо от условий приготовления волокнистой суспензии, т.е. позволяет более объективно оценивать бумагообразующие свойства волокнистой суспензии.

Рис. 3. Динамика

свойств макулатурной

массы на технической

Данные исследования, объектом которых были вторичные волокна из макулатуры, подтверждают выводы о том, что водоудержание, или WRV, может быть использовано в научно-исследовательских и практических целях для более обоснованной оценки бумагообразующих свойств полуфабрикатов на всех стадиях приготовления бумажной массы.

Известно, что степень набухания вторичного волокна в воде является определяющим фактором восстановления его бумагообразующих свойств на этапе массоподготовки. Рассматривая процесс взаимодействия вторичного волокна с водой, проявляемый явлениями смачивания, пропитки, гидратации и набухания, следует обратить внимание на следующие проблемы:

– замедленная скорость взаимодействия волокна с водой во всех перечисленных явлениях, выражаемая в технологии термином «продолжительность массоподготовки»;

– достижение предельного взаимодействия волокна с водой, определяемого достигнутыми бумагообразующими свойствами для обеспечения заданного качества бумажно-картонной продукции.

Обе проблемы являются, прежде всего, функцией ороговения волокна, а их решение должно быть осуществлено в основных процессах технологии подготовки массы и отлива бумаги и картона из вторичного волокна.

Ниже представлены результаты исследований влияния набухания на способность вторичного волокна к размолу и обезвоживанию. В первой серии экспериментов задачей было нахождение оптимальной продолжительности взаимодействия вторичного волокна с водой. На рис. 4 представлены графики, отражающие зависимость способности вторичного волокна к размолу от продолжительности набухания. Из них следует, чем продолжительнее контакт вторичного волокна с водой, тем легче оно размалывается.

Так, набухание в течение 75 мин (кривая 4), приводит к возрастанию степени помола вторичного волокна на 12 (ШР за 30 мин, а увеличение продолжительности размола до 40 мин дает разницу в степени помола уже в 18 (ШР. Установленное увеличение степени помола является очень значительным.

Рис. 4. Влияние продолжительности набухания на способность вторичного волокна к размолу: 1 – 8 мин; 2 – 30; 3 – 50; 4 – 75; 5 – 100 мин

Однако, сочетание производственных факторов предполагает ограничение контакта вторичного волокна с водой и, следуя закономерностям рис. 4, можно определиться с продолжительностью взаимодействия волокна с водой еще до процесса размола – 75 мин.

Существенно важным является фактор скорости обезвоживания волокнистой массы на сетке БДМ или КДМ. Результаты исследований представлены на рис. 5.

Рис. 5. Влияние продолжительности набухания на способность вторичного волокна к обезвоживанию (см. обозначения на рис. 4)

загрузка...