книги / Подготовка полуфабрикатов для получения бумаги

отрасли возникает потребность в новых видах бумаги с различными свойствами, и ЦБП создает любые виды бумаги со свойствами, соответствующими требованиям новых отраслей промышленности и производств.

Рост культурного уровня населения в большой мере зависит от развития ЦБП. Увеличивается выпуск книжно-журнальной бумаги, бумаги для изделий санитарно-гигиенического назначения, широко используют бумажную одежду, постельное белье разового пользования и другие бытовые и промышленно-технические изделия из бумаги и картона.

Современные бумагоделательные машины выпускают 300 тыс. т бумаги в год со скоростью 1500–2000 м/мин при ширине полотна 10–12 м, стоимость бумагоделательной машины 300 млн долл.

В Китае на картоноделательной машине фирмы Metso изготовляется пятислойный картон шириной 8 м при скорости 900 м/мин. В сутки выпускается 2500 т картона – это 50 вагонов по 45 т в вагоне. Годовой выпуск картона 900 тыс. т.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ БУМАГИ И ЕЕ СВОЙСТВА

Бумага является упругопластичным капиллярно-пористым листовым материалом, состоящим из мелких растительных волокон, соответствующим образом обработанных и соединенных в тонкий лист, в котором волокна связаны между собой поверхностными силами сцепления.

В зависимости от назначения бумага характеризуется различными показателями: массой 1 м2, толщиной, плотностью, механической прочностью, степенью проклейки, зольностью, влажностью, цветом, белизной, химической чистотой, впитывающей способностью, воздухо-, паро-, жиронепроницаемостью, диэлектрическими и теплопроводящими свойствами, фильтрующей способностью, долговечностью и другими показателями.

По принятой в России квалификации бумага делится на 10 классов:

11

1.Для печати газетная, типографская, офсетная, литографская, для глубокой печати и др.

2.Для письма, машинописи, черчения, рисования писчая, почтовая, тетрадная, рисовальная, чертежная, бумажная калька и др.

3.Электротехническая кабельная, конденсаторная, пропиточная, телефонная, намоточная и др.

4.Оберточная и упаковочная мешочная, антикоррозийная, бандерольная, пергаментная, подпергаментная, оберточная и др.

5.Светочувствительная и переводная диазобумага, диазокалька, гумированная для переводных изображений и др.

6.Для изготовления папирос и сигарет папиросная, курительная, мундштучная и др.

7.Впитывающая промокательная, фильтровальная, для хроматографии и электрофореза и др.

8.Промышленно-техническая разного назначения каландровая, для патронирования, шпульная, абажурная и др.

9.Бумага-основа основа мелованной и копировальной бумаги, пергамента, фибры, фотобумаги, фотокальки и др.

10.Декоративная бархатная, цветная, глянцевая, крепированная и др.

3. ВОЛОКНИСТЫЕ ПОЛУФАБРИКАТЫ БУМАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Огромное количество видов бумаги производится из небольшого количества полуфабрикатов, поэтому важное значение для придания бумаге требуемых свойств имеет технологический режим ведения процессов размола, отлива, прессования, сушки, отделки.

Свойства бумаги зависят от введения в бумажную массу различных добавок (наполнителей, флокулянтов, проклеивающих веществ).

Качество бумаги зависит от бумагообразующих свойств полуфабрикатов. При этом имеется в виду как поведение волокнистых

12

материалов, так и влияние их на свойства бумажной массы и готовой бумаги. Так, в процессе размола важным показателем является способность полуфабриката к размолу, скорость достижения степени помола, в процессе отлива – скорость обезвоживания.

Растительные волокна, применяемые для производства бумаги, отличаются между собой как по химическому составу, так и по анатомическому строению. Наиболее ценными являются длинные волокна, получаемые из хвойных пород древесины. Длинноволокнистые полуфабрикаты обеспечивают получение более прочной бумаги по сравнению с коротковолокнистыми полуфабрикатами. Из волокон ленточного строения получается плотная прочная бумага с сомкнутой поверхностью, волокна же трубчатого строения способствуют получению пухлых видов бумаги. Волокна твердых пород древесины придают бумаге непрозрачность, впитывающую способность, пухлость, воздухопроницаемость. Волокна мягких пород древесины – высокую прозрачность, плотность, высокое сопротивление разрыву.

Важное значение имеет для бумагообразующих свойств химический состав целлюлозы. Так, целлюлоза, имеющая высокое содержание α-целюлозы, не склонна к фибриллированию и легко рубится, что приводит к получению непрочного листа бумаги. Наличие гемицеллюлоз в технической целлюлозе способствует пластификации волокон, облегчает фибриллирование при размоле и приводит к образованию прочного листа бумаги.

Лигнин препятствует пластификации волокон, затрудняет размол. Бумага, изготовленная из целлюлозы с большим количеством лигнина, быстро стареет. Вместе с тем лигнин снижает прозрачность волокон и способствует светонепроницаемости бумаги.

Бумагообразующие свойства зависят и от способа получения целлюлозы. Так, волокна сульфатной целлюлозы придают бумаге более высокую прочность, термостойкость, долговечность, непрозрачность, чем волокна сульфитной целлюлозы. Сульфатная целлюлоза применяется для изготовления мешочной, шпагатной, упаковочной бумаги. Бумага из сульфатной целлюлозы обладает высоки-

13

ми диэлектрическими показателями, поэтому широко применяется в качестве электроизоляционной (кабельной, телефонной, конденсаторной) бумаги.

Из сульфитной целлюлозы изготовляют главным образом «культурные» сорта бумаги (для письма, печати, рисования, черчения и др.). Сульфитная целлюлоза является основным сырьем для химической переработки.

Волокна сульфатной целлюлозы более гибкие, на их поверхности меньше микротрещин, поэтому они труднее размалываются. Сульфитная беленая целлюлоза по сравнению с сульфатной беленой обеспечивает получение бумаги с повышенной пухлостью, впитывающей способностью и мягкостью. Это определяет ее пригодность для санитарно-бытовых видов бумаги.

Полуцеллюлоза широко применяется для получения тарного и других видов картона, древесно-волокнистых плит, бумаги для гофрирования и т.д.

Добавка в композицию бумаги древесной массы, термомеханической массы, химико-термомеханической массы позволяет резко снизить стоимость готовой продукции, повысить непрозрачность, гладкость, улучшить печатные свойства. Однако древесная масса снижает механическую прочность бумаги, делает ее неустойчивой к действию света, влаги.

Введение в композицию бумаги макулатуры снижает ее механические показатели, однако бумага при этом характеризуется лучшими печатными свойствами.

Целлюлоза из однолетних растений (солома, тростник) способствует улучшению просвета, однако, отлив бумаги затруднен, так как полотно плохо обезвоживается из-за наличия большого количества гемицеллюлоз. Волокна сильно набухают и создают большое сопротивление фильтрации воды.

Прочную, долговечную бумагу получают из отходов переработки хлопка, льна, пеньки.

Тряпичная полумасса применяется для получения высокосортных видов бумаги: документной, чертежной, основы для пергамента.

14

Синтетические волокна (капрон, лавсан, нитрон и др.) используют для получения бумаги с высокой механической прочностью, впитывающей способностью, они долговечны, биостойки. Для связеобразования синтетических волокон необходимо применение связующих компонентов – смол, латексов.

4. ОБЩАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА БУМАГИ

Несмотря на обилие выпускаемых видов бумаги и разнообразие ее свойств, технологическая схема изготовления бумаги может быть представлена обобщенной в самом упрощенном виде.

Лишь ограниченное количество специальных видов бумаги в относительно малом количестве производится сухим способом. При этом способе формование (образование) бумажного полотна осуществляется не из водной суспензии, а из воздушного потока с последующим склеиванием волокон.

Согласно общей технологической схеме исходные волокнистые материалы в водной среде подвергаются размолу и, если их несколько, смешению в необходимом соотношении (рис. 1).

В размолотую бумажную массу в зависимости от назначения бумаги вводят минеральные наполнители, проклеивающие и окрашивающие вещества. Бумажная масса с отрегулированной концентрацией аккумулируется в мешальном бассейне. Далее осуществляют дозированное разбавление бумажной массы оборотной водой, т.е. водой, возвращаемой в технологический процесс и взятой из-под сетки, на которой осуществлялось обезвоживание и формование бумажного полотна. Такое использование оборотной воды позволяет снизить расход свежей воды, а также уменьшить потери в сток (промой) волокон и наполнителей, так как оборотная вода содержит некоторое количество мелких волокон и частиц наполнителя, прошедших с водой через сетку.

Разбавленную бумажную массу подвергают очистке от посторонних включений (загрязнений) на очистной аппаратуре, после

15

чего она поступает на бумагоделательную машину. Здесь происходит формование бумажного полотна, сопровождаемое его обезвоживанием на сетке, прессование, сушка, охлаждение полотна, увлажнение перед машинным каландрированием и намотка в рулон на накате. Если требуется повышенное уплотнение структуры бумаги (например, для конденсаторной бумаги), увеличение ее прозрачности (чертежная калька), повышение гладкости или лоска (блеска) поверхности (некоторые виды бумаги для печати, мелованная бумага), то бумагу после дополнительного увлажнения пропускают через суперкаландр.

Рис. 1. Общая технологическая схема производства бумаги

16

Готовую бумагу разрезают на рулоны или листы. Последние считают и упаковывают. Рулоны также упаковывают и отправляют на склад. Некоторые виды бумаги (конденсаторная, мундштучная, для телеграфной и кассовой лент и др.) разрезают на узкие ленты и наматывают в бобины (узкие рулончики).

Избыток оборотной воды направляют в улавливающую аппаратуру, откуда уловленные волокна используются в производстве, а осветленная вода идет в сток. Бумажный брак с бумагоделательной машины, суперкаландра, станков, разрезающих бумагу, ее перематывающих и упаковывающих, идет на переработку и в виде волокнистой массы используется для изготовления бумаги.

Общая схема изготовления бумаги уточняется в зависимости от ее вида. При этом устанавливается композиция бумаги, вид используемого оборудования, количество ступеней размола и очистки массы и другие специфические для данного вида бумаги особенности производства (наличие или отсутствие наполнения, проклейки, окраски, поверхностного покрытия и пр.). По уточненной схеме производства с учетом заданной производительности бумагоделательной машины и, пользуясь данными концентрации бумажной массы и влажности (сухости) бумаги по стадиям технологического процесса, составляют балансы воды, волокон и наполнителя (если он в данной бумаге присутствует). Полученные при этом данные являются отправными для выполнения всех основных технологических расчетов оборудования и определения технико-экономических показателей: удельного расхода волокнистых материалов, наполнителя, химикатов и воды, промоев волокон и наполнителей.

При составлении указанных балансов студент может пользоваться соответствующими методическими пособиями по курсовому и дипломному проектированию.

17

5. РАЗМОЛ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ

5.1. Назначение процесса размола

При размоле растительных волокон в водной среде происходит как чисто механический процесс изменения размеров и формы волокон, так и коллоидно-химический процесс, называемый гидратацией волокон. Явления механического характера выражаются в укорачивании волокон и их продольном расщеплении на фибриллы. В данном случае под термином гидратация понимаются не образование гидратов, а коллоидно-химические явления, начинающиеся с набухания гидрофильных растительных волокон и, как будет показано ниже, придающие волокнам способность связываться между собой с образованием прочной структуры листа.

Некоторое укорачивание волокон независимо от вида изготовляемой бумаги необходимо в связи с тем, что из длинных волокон очень трудно получить равномерную по расположению волокон бумагу, так как при отливе бумажного полотна длинные волокна склонны к хлопьеобразованию. Наличие наряду с длинными волокнами мелких волокон способствует тому, что мелкие волокна заполняют пространства между длинными, лист при этом становится более равномерным и с безоблачным просветом. При рассмотрении структуры бумаги в проходящем свете (на просвет) отсутствие видимых «облаков» от сгустков волокон (хлопьев) и называют безоблачным или молочным просветом бумаги.

Укорачивание волокон – не основное назначение процесса размола. В большинстве случаев более важно расщепление волокон в продольном направлении на фибриллы с увеличением при этом наружной поверхности волокон. Адсорбция на этой поверхности воды ведет к набуханию волокон, повышению их гибкости и созданию условий для установления между волокнами связей, определяющих основные свойства бумаги — механическую прочность, впитывающую способность, воздухопроницаемость и др.

18

Таким образом, назначением процесса размола волокнистых материалов является: 1) придание волокнистому материалу определенной структуры в отношении размеров волокон по длине и толщине, с тем чтобы обеспечить требуемую структуру полотну бумаги; 2) сообщение волокнистому материалу определенной степени гидратации, от которой в значительной мере зависит создание сил сцепления между волокнами.

5.2. Основы теории процесса размола

Прежде чем была разработана современная теория размола волокнистых материалов, было предложено несколько других теорий. Авторы этих теорий понимали, что при размоле волокнистых материалов в водной среде происходит не только изменение размеров волокон по их длине и толщине, т.е. что процесс размола это не только процесс механического измельчения волокон. Этому пониманию способствовали факты изменений свойств массы, получаемой в результате размола, а также отличия в свойствах бумаги из неразмолотой и размолотой массы. Действительно, в результате длительного размола бумажная масса с трудом отдает влагу при обезвоживании и становится жирной на ощупь, а бумага, изготовленная из такой массы, приобретает плотную структуру и повышенные показатели механической прочности.

Для объяснения изменений свойств волокон (увеличения гибкости, эластичности, появления жирности на ощупь), происходящих при размоле, были предложены различные теории размола – химическая, физическая и др.

Авторы химической теории полагали, что при размоле происходит химическое взаимодействие целлюлозы с водой, в результате чего на поверхности волокон образуется желатинообразный гидрат целлюлозы (оксицеллюлоза, гидроксицеллюлоза), который в процессе сушки склеивает волокна.

Поскольку позднее было доказано, что при размоле существенных химических изменений с целлюлозой не происходит, то эта теория оказалась несостоятельной и была предложена физическая тео-

19

рия, которая объясняла все закономерности размола измельчением волокон и их фибриллированием. С точки зрения этой теории связь между волокнами в бумаге объяснялась механическим переплетением фибрилл. Физическая теория тоже оказалась несостоятельной, так как не могла объяснить потерю прочности бумаги при увлажнении.

Всовременной теории размола особое значение придается строению волокна, содержанию в нем гемицеллюлоз, способствующих набуханию и фибрилляции волокон. Благодаря этим процессам при размоле волокно становится более гибким, увеличивается его поверхность, образуются межволоконные связи. Установлена природа этих связей в бумаге. Основную роль играют водородные связи через гидроксильные группы целлюлозы, расположенные на поверхности микрофибрилл соседних волокон. Энергия этой связи

18,8 кДж/моль и действует она на расстоянии 2,5–2,75 Å (2,5– 2,75·10–10 м). Кроме того, в листе бумаги действуют межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса и механические силы сцепления волокон.

Впроцессе размола различают несколько стадий. Вначале про-

исходит разрушение и удаление наружных оболочек волокна P и S1, которые сдерживают набухание и фибрилляцию. С разрушением этих оболочек обнажается фибриллярная структура вторичной стенки, облегчается проникновение воды. Вода сначала заполняет все пустоты в волокне, при этом размеры его не увеличиваются; только когда вода проникает в субмикроскопические поры, начинается процесс набухания. Набухшие волокна более пластичны, что способствует предохранению волокна от сильного разрушения при размоле. Набухание способствует фибриллированию, которое осуществляется под действием напряжения сдвига, возникающего при перемещении ножей размалывающего аппарата. На поверхности волокон образуется «начес» из отдельных микрофибрилл. В результате увеличивается поверхность волокон в 2–10 раз, что способствует лучшему контакту их между собой в листе бумаги. Кроме «наружного» фибриллирования происходит так называемое «внутреннее» фибриллирование (происходит разрыхление упаковки фибрилл). Это приводит к увеличению гибкости волокон в 3–15 раз, так как за счет

20