Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 8
1.1 Фундаментальные свойства волокон целлюлозных полуфабрикатов: виды, особенности, методы определения 8
1.2 Оценка прочности целлюлозных волокон – прямые методы испытаний... 16
1.3 Оценка прочности волокон в структуре целлюлозно-бумажных
материалов. Косвенные методы испытаний 23
1.4 Выводы по обзору литературы и постановка задач эксперимента 33
2 Методики эксперимента . 35
2.1 Химический анализ волокнистых полуфабрикатов 35
2.2 Определение структурно-морфологических характеристик волокна 36
2.3 Фракционирование полуфабрикатов в лабораторных условиях 39
2.4 Изготовление образцов и подготовка их к испытаниям 41
2.5 Определение когезионной способности волокон 41
2.6 Определение стандартных показателей механической прочности 42
2.7 Получение и математическая обработка кривой зависимости "напряжение-деформация" 42
2.8 Определение собственной прочности волокон 45
2.9 Определение вязкости разрушения образцов полуфабрикатов 46
2.10 Метрологические характеристики лабораторного оборудования 46
2.11 Статистическая обработка результатов исследований . 47
3 Экспериментальная часть 48
3.1 Исследование прочности волокон и межволоконных взаимодействий в структуре целлюлозных материалов из различных полуфабрикатов . 48
3.2 Оценка и взаимосвязь свойств волокон в структурированном и неструктурированном состояниях 57
3.3 Взаимосвязь свойств волокон в структуре с физико-механическими характеристиками целлюлозных материалов 69
3.4 Влияние длины волокон на формирование структуры и физико-механические характеристики целлюлозных материалов 77
3.5 Анализ изменения свойств волокон в структуре целлюлозного материала с позиций контроля технологического процесса 85
3.5.1 Общие положения 85
3.5.2 Влияние технологических процессов на комплекс свойств волокон лиственной сульфатной беленой целлюлозы 88
3.5.3 Влияние технологических процессов на комплекс свойств волокон хвойной беленой целлюлозы 100
4 Общие выводы 112
Список сокращений и условных обозначений 113
Список литературы 115
Приложение 133
- Фундаментальные свойства волокон целлюлозных полуфабрикатов: виды, особенности, методы определения
- Определение структурно-морфологических характеристик волокна
- Статистическая обработка результатов исследований
- Анализ изменения свойств волокон в структуре целлюлозного материала с позиций контроля технологического процесса
Введение к работе
Актуальность темы*. В условиях современного целлюлозно-
бумажного производства, характеризующегося непрерывностью процессов и
высокотоннажностью выпуска продукции, задачи многостороннего,
объективного и оперативного контроля свойств полуфабрикатов на всех стадиях технологической цепочки являются приоритетными. Своевременное выявление возникающих проблем и их устранение служит гарантией получения продукции требуемого и регулируемого качества.
Традиционные подходы к оценке качества при производстве целлюлозы, бумаги и картона базируются на использовании периодического отбора образцов с их последующим анализом с помощью отдельных специальных методов. Эти методы зачастую отличаются при получении полуфабрикатов и при выработке готовой продукции, что не позволяет корректно сопоставлять результаты измерений и принимать оперативные меры по регулированию и оптимизации технологических параметров. Устранение подобного дисбаланса возможно лишь на основе комплексного подхода, позволяющего на всех стадиях производства, – от выделения волокон из древесины до формирования структуры бумаги или картона – помимо общепринятых стандартных методов использовать универсальный способ комплексной оценки фундаментальных свойств целлюлозных волокон.
Практическая реализация указанного подхода требует упрощения процедуры оценки параметров структуры целлюлозных материалов при одновременном повышении универсальности и точности проводимых исследований и измерений, в том числе в производственных условиях.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы – исследовать
совокупность параметров, характеризующих прочность, геометрические
размеры и межволоконные взаимодействия в структуре как универсальных
критериев оценки и регулирования свойств волокон целлюлозы в
технологических процессах. Для реализации поставленной цели
сформулированы и решены следующие задачи:
-
Проанализировать основные разновидности целлюлозных полуфабрикатов с позиций количественного ранжирования прочности волокон в структуре материала.
-
Исследовать влияние степени разработки волокон на их свойства в неструктурированном состоянии и в составе структуры целлюлозного материала.
3. Установить взаимосвязь свойств волокон в структуре с физико-
механическими характеристиками целлюлозных материалов.
-
Исследовать влияние размеров волокон на формирование структуры и физико-механические характеристики целлюлозных материалов.
-
Провести апробацию результатов лабораторных исследований параметров волокон в структуре применительно к технологическим условиям получения лиственной и хвойной беленой целлюлозы.
*) Автор выражает глубокую признательность профессору, доктору технических наук, Заслуженному деятелю науки РФ Валерию Ивановичу Комарову (1946-2011) за помощь в выборе потенциальной тематики и общего направления диссертационных исследований.
Научная новизна. Применительно к наиболее массовым полуфабрикатам целлюлозно-бумажного производства получены новые данные о параметрах, характеризующих прочность волокон, находящихся в структуре целлюлозных материалов, их размерах и интенсивности межволоконных взаимодействий. Определены количественные границы изменения параметров волокон в структуре материала под воздействием технологических факторов. Установлена избирательность влияния исследуемых параметров на физико-механические свойства целлюлозных материалов и получены математические модели для прогнозной оценки характеристик качества полуфабрикатов.
Практическая ценность. В условиях технологической линии производства сульфатной беленой лиственной и хвойной целлюлозы показана возможность использования способа оценки параметров волокон в структуре контрольных образцов для оперативного анализа и регулирования свойств полуфабрикатов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на II всероссийской молодежной научной конференции «Химия и технология новых веществ и материалов» (Сыктывкар, 2012 г.), II международной научно-технической конференции «Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов» (Архангельск, 2013 г.), VIII Всероссийской научной конференции «Химия и технология растительных веществ» (Калининград, 2013 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова (2011-2013 гг.). Работа была поддержана грантом администрации Архангельской области «Молодые ученые Поморья» (№13-2012-05а).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 6 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение; обзор литературы; методическую часть; экспериментальную часть, включающую пять разделов; общие выводы; приложение (акт производственных испытаний). Содержание работы изложено на 135 страницах, включая 57 рисунков и 21 таблиц, библиографический список из 189 наименований.
Фундаментальные свойства волокон целлюлозных полуфабрикатов: виды, особенности, методы определения
Одним из важнейших условий функционирования и развития современной целлюлозно-бумажной промышленности является способность к переработке древесного сырья практически любых пород. Это позволяет получать широкий спектр первичных полуфабрикатов, отличающихся комплексом базовых характеристик: размерных, физических, химических, механических, технологических.
Значительная часть волокон используется повторно и многократно в виде макулатурного сырья. Вопросы и проблемы, связанные с изменением бумагообразующего потенциала вторичных волокон вследствие их многократной переработки, являются предметом постоянного изучения [1-5]. Доля повторно используемых волокон варьируется в отдельных регионах и достигает в наиболее развитых из них, например, в Западной Европе, 70 % [1, 6-8]. Уровень использования макулатуры в нашей стране составляет 7…10 % при производстве бумаги и 20…25 % при производстве картона, что значительно увеличивает затраты на производство продукции [9].
Вместе с тем, требуется постоянное обновление региональных и общемирового балансов волокна, что обеспечивается увеличением потребления древесного сырья, объем которого, по прогнозам, к 2015 г. должен составить около 460 млн. т. [10].
Таким образом, производители бумаги и картона имеют возможность за счет оптимизации составления композиций из волокон, отличающихся способностью к формированию структуры целлюлозного материала, вырабатывать готовую продукцию требуемого качества при минимальных затратах. При этом можно отметить несколько современных подходов к формированию композиций.
Например, основу большинства массовых видов бумаги составляют коротковолокнистые (первичные и/или вторичные) полуфабрикаты. Они обеспечивают равномерность формирования структуры. Регулирование прочности такой структуры достигается дозировкой в композицию длинноволокнистых полуфабрикатов, выполняющих функцию армирования [11].
Другим очевидным примером является постепенный отказ от принципа достижения гарантированного качества за счет использования сырья, волокна которого имеют максимальный уровень прочности, когезионной способности, технологичности и т. п. Взамен этого предпочтение отдается полуфабрикатам, имеющим пусть более низкий, но стабильный уровень свойств [12].
Кроме того, использование химических и нанотехнологий в производстве бумаги и картона позволяет вырабатывать продукцию необходимого качества из полуфабрикатов с низким базовым потенциалом [13-20].
Применение каждого из обозначенных подходов требует объективной оценки комплекса свойств волокон в составе полуфабрикатов, а также использования прогнозных моделей, связывающих базовые характеристики волокон и показатели качества бумаги и картона.
Приведем краткий анализ сведений об основных свойствах и характеристиках волокон целлюлозных полуфабрикатов, а также методах их определения.
В целом обозначенные характеристики, в соответствии с литературными данными [21-22], могут быть определены как фундаментальные с позиций их значимости для описания свойств полуфабрикатов и формирования структуры целлюлозно-бумажных материалов.
Традиционно в качестве одной из групп характеристик используются морфологические и размерные признаки волокон, методы определения которых базируются как на их визуализации, так и на измерении основных геометрических размеров [23-26].
Длительное время данная группа количественно оценивалась путем измерения средней длины волокон, реже – в совокупности с шириной. Это позволяло косвенно учитывать основные отличия морфологического строения клеток древесины различных пород, то есть разницу в параметрах хвойных трахеид, лиственного либриформа, сосудов, паренхимных клеток, а также влияние времени и места произрастания древесины [23].
Средняя длина волокон, выражаемая в различных приложениях как среднечисловая, средневзвешенная или среднемассовая, является необходимым, но недостаточным параметром оценки группы размерных и морфологических свойств волокон. Очевидно, что при переходе полуфабриката из категории первичных в категорию вторичных, морфологические и размерные признаки волокон существенно изменяются и, более того, накладываются друг на друга [27-31]. Основная причина – закономерное изменение свойств волокон в процессах массоподготовки, сушки, переработки, обработки вторичного сырья и т. д. Кроме того, происходит неизбежное смешивание волокон разного происхождения с позиций породы древесины и способа выделения [31].
Помимо влияния на собственно среднюю длину волокна, указанные процессы вызывают и перераспределение фракционного состава отдельных классов волокон.
Развитие методов измерения средней длины и связанных с ней геометрических и морфологических параметров волокон продвигалось в направлении понимания, а затем и учета отмеченных выше особенностей. Простейшие, но максимально трудоемкие способы оптической микроскопии и попытки обоснованного исключения из расчета средней длины наиболее мелких волокон (так называемого криля или мельштофа) [21] периодически дополнялись предложениями по учету распределения волокон по фракциям при помощи классификаторов [32-36] и способами проекционного увеличения волокон [36].
Все вышеперечисленное позволило накопить обширный массив данных в виде публикаций, справочников, стандартов [21, 32-41], однако, несмотря на формальное повышение точности и воспроизводимости измерений, не решило главной прикладной задачи – использования данных о размерах волокон для оперативного контроля и регулирования технологических процессов.
Развитие электронных и информационных технологий привело к появлению методов измерений, отличающихся одновременно и быстродействием и достаточной точностью в сочетании с хорошей воспроизводимостью.
В 1975 г. впервые для определения качества волокнистых полуфабрикатов непосредственно в производственном потоке стали использовать электронную оптику и цифровую обработку данных. Изначально метод применялся для анализа содержания костры в беленых полуфабрикатах и оптимизации процессов сортирования. Далее были созданы системы мониторинга процесса размола в производстве механической массы, включающие измерение длины волокон, анализ содержания костры и степени разработки волокон. В 1980-е годы реализованы методы измерения средней длины волокна и его диаметра непосредственно в технологическом потоке [13, 42-43].
Параллельно происходило и развитие оптико-электронных методов измерения геометрии и структуры волокон для исследовательских приложений. В большинстве случаев в основу измерений заложен принцип перевода совокупности реальных волокон в их проекции, сканирование и математическая обработка которых позволяет использовать большие массивы данных для вычислений размерных и других характеристик.
Именно возможность увеличения на несколько порядков количества объектов, измеряемых в единичном анализе, по сравнению с традиционной оптической микроскопией, позволила обеспечить требуемую точность и информативность анализа.
К настоящему времени методы измерений и автоматизированные или автоматические анализаторы волокон (например, системы Kajani, Morficompact, Fiber Tester и их аналоги) стали общепринятым исследовательским и прикладным инструментарием. Помимо основных размерных параметров измеряются или вычисляются следующие важные характеристики и свойства: грубость, извитость (фактор формы), степень дефектности, содержание мелочи, а также подробный фракционный состав по различным признакам [44-55].
Таким образом, современные технологии и методы оценки свойств волокон полуфабрикатов позволили не просто расширить перечень учитываемых характеристик, но и проводить косвенную оценку таких фундаментальных составляющих, предложенных и всесторонне изученных в работах Clark и других исследователей, как: грубость и способность к уплотнению во влажном состоянии [21, 56-57].
Грубость волокон как понятие и измеряемый параметр привнесена в исследовательскую практику целлюлозно-бумажных материалов из текстильной промышленности. Грубость представляет собой массу единицы длины волокна и выражается соответственно в мг/100 м или в мкг/м, реже – в дг.
Работы, посвященные методам измерения грубости, а также влиянию данного параметра на свойства полуфабрикатов и целлюлозно-бумажных материалов, достаточно многочисленны [21, 56-60]. Вместе с тем, большинство публикаций относятся к 1970-м годам, то есть к периоду, когда использовались лишь оптические и весовые методы измерений. Более поздние публикации уже представляют данные, полученные в совокупности с геометрическими и морфологическими измерениями волокон.
Выделим основные закономерности, характеризующие грубость в качестве одного из параметров свойств волокна, а также ее влияние на процессы производства и свойства целлюлозных материалов.
Определение структурно-морфологических характеристик волокна
Одним из важнейших условий функционирования и развития современной целлюлозно-бумажной промышленности является способность к переработке древесного сырья практически любых пород. Это позволяет получать широкий спектр первичных полуфабрикатов, отличающихся комплексом базовых характеристик: размерных, физических, химических, механических, технологических.
Значительная часть волокон используется повторно и многократно в виде макулатурного сырья. Вопросы и проблемы, связанные с изменением бумагообразующего потенциала вторичных волокон вследствие их многократной переработки, являются предметом постоянного изучения [1-5]. Доля повторно используемых волокон варьируется в отдельных регионах и достигает в наиболее развитых из них, например, в Западной Европе, 70 % [1, 6-8]. Уровень использования макулатуры в нашей стране составляет 7…10 % при производстве бумаги и 20…25 % при производстве картона, что значительно увеличивает затраты на производство продукции [9].
Вместе с тем, требуется постоянное обновление региональных и общемирового балансов волокна, что обеспечивается увеличением потребления древесного сырья, объем которого, по прогнозам, к 2015 г. должен составить около 460 млн. т. [10].
Таким образом, производители бумаги и картона имеют возможность за счет оптимизации составления композиций из волокон, отличающихся способностью к формированию структуры целлюлозного материала, вырабатывать готовую продукцию требуемого качества при минимальных затратах. При этом можно отметить несколько современных подходов к формированию композиций.
Например, основу большинства массовых видов бумаги составляют коротковолокнистые (первичные и/или вторичные) полуфабрикаты. Они обеспечивают равномерность формирования структуры. Регулирование прочности такой структуры достигается дозировкой в композицию длинноволокнистых полуфабрикатов, выполняющих функцию армирования [11].
Другим очевидным примером является постепенный отказ от принципа достижения гарантированного качества за счет использования сырья, волокна которого имеют максимальный уровень прочности, когезионной способности, технологичности и т. п. Взамен этого предпочтение отдается полуфабрикатам, имеющим пусть более низкий, но стабильный уровень свойств [12].
Кроме того, использование химических и нанотехнологий в производстве бумаги и картона позволяет вырабатывать продукцию необходимого качества из полуфабрикатов с низким базовым потенциалом [13-20].
Применение каждого из обозначенных подходов требует объективной оценки комплекса свойств волокон в составе полуфабрикатов, а также использования прогнозных моделей, связывающих базовые характеристики волокон и показатели качества бумаги и картона.
Приведем краткий анализ сведений об основных свойствах и характеристиках волокон целлюлозных полуфабрикатов, а также методах их определения.
В целом обозначенные характеристики, в соответствии с литературными данными [21-22], могут быть определены как фундаментальные с позиций их значимости для описания свойств полуфабрикатов и формирования структуры целлюлозно-бумажных материалов.
Традиционно в качестве одной из групп характеристик используются морфологические и размерные признаки волокон, методы определения которых базируются как на их визуализации, так и на измерении основных геометрических размеров [23-26].
Длительное время данная группа количественно оценивалась путем измерения средней длины волокон, реже – в совокупности с шириной. Это позволяло косвенно учитывать основные отличия морфологического строения клеток древесины различных пород, то есть разницу в параметрах хвойных трахеид, лиственного либриформа, сосудов, паренхимных клеток, а также влияние времени и места произрастания древесины [23].
Средняя длина волокон, выражаемая в различных приложениях как среднечисловая, средневзвешенная или среднемассовая, является необходимым, но недостаточным параметром оценки группы размерных и морфологических свойств волокон. Очевидно, что при переходе полуфабриката из категории первичных в категорию вторичных, морфологические и размерные признаки волокон существенно изменяются и, более того, накладываются друг на друга [27-31]. Основная причина – закономерное изменение свойств волокон в процессах массоподготовки, сушки, переработки, обработки вторичного сырья и т. д. Кроме того, происходит неизбежное смешивание волокон разного происхождения с позиций породы древесины и способа выделения [31].
Помимо влияния на собственно среднюю длину волокна, указанные процессы вызывают и перераспределение фракционного состава отдельных классов волокон.
Развитие методов измерения средней длины и связанных с ней геометрических и морфологических параметров волокон продвигалось в направлении понимания, а затем и учета отмеченных выше особенностей. Простейшие, но максимально трудоемкие способы оптической микроскопии и попытки обоснованного исключения из расчета средней длины наиболее мелких волокон (так называемого криля или мельштофа) [21] периодически дополнялись предложениями по учету распределения волокон по фракциям при помощи классификаторов [32-36] и способами проекционного увеличения волокон [36].
Все вышеперечисленное позволило накопить обширный массив данных в виде публикаций, справочников, стандартов [21, 32-41], однако, несмотря на формальное повышение точности и воспроизводимости измерений, не решило главной прикладной задачи – использования данных о размерах волокон для оперативного контроля и регулирования технологических процессов.
Развитие электронных и информационных технологий привело к появлению методов измерений, отличающихся одновременно и быстродействием и достаточной точностью в сочетании с хорошей воспроизводимостью.
В 1975 г. впервые для определения качества волокнистых полуфабрикатов непосредственно в производственном потоке стали использовать электронную оптику и цифровую обработку данных. Изначально метод применялся для анализа содержания костры в беленых полуфабрикатах и оптимизации процессов сортирования. Далее были созданы системы мониторинга процесса размола в производстве механической массы, включающие измерение длины волокон, анализ содержания костры и степени разработки волокон. В 1980-е годы реализованы методы измерения средней длины волокна и его диаметра непосредственно в технологическом потоке [13, 42-43].
Параллельно происходило и развитие оптико-электронных методов измерения геометрии и структуры волокон для исследовательских приложений. В большинстве случаев в основу измерений заложен принцип перевода совокупности реальных волокон в их проекции, сканирование и математическая обработка которых позволяет использовать большие массивы данных для вычислений размерных и других характеристик.
Именно возможность увеличения на несколько порядков количества объектов, измеряемых в единичном анализе, по сравнению с традиционной оптической микроскопией, позволила обеспечить требуемую точность и информативность анализа.
К настоящему времени методы измерений и автоматизированные или автоматические анализаторы волокон (например, системы Kajani, Morficompact, Fiber Tester и их аналоги) стали общепринятым исследовательским и прикладным инструментарием. Помимо основных размерных параметров измеряются или вычисляются следующие важные характеристики и свойства: грубость, извитость (фактор формы), степень дефектности, содержание мелочи, а также подробный фракционный состав по различным признакам [44-55].
Таким образом, современные технологии и методы оценки свойств волокон полуфабрикатов позволили не просто расширить перечень учитываемых характеристик, но и проводить косвенную оценку таких фундаментальных составляющих, предложенных и всесторонне изученных в работах Clark и других исследователей, как: грубость и способность к уплотнению во влажном состоянии [21, 56-57].
Грубость волокон как понятие и измеряемый параметр привнесена в исследовательскую практику целлюлозно-бумажных материалов из текстильной промышленности. Грубость представляет собой массу единицы длины волокна и выражается соответственно в мг/100 м или в мкг/м, реже – в дг.
Работы, посвященные методам измерения грубости, а также влиянию данного параметра на свойства полуфабрикатов и целлюлозно-бумажных материалов, достаточно многочисленны [21, 56-60]. Вместе с тем, большинство публикаций относятся к 1970-м годам, то есть к периоду, когда использовались лишь оптические и весовые методы измерений. Более поздние публикации уже представляют данные, полученные в совокупности с геометрическими и морфологическими измерениями волокон.
Выделим основные закономерности, характеризующие грубость в качестве одного из параметров свойств волокна, а также ее влияние на процессы производства и свойства целлюлозных материалов.
Статистическая обработка результатов исследований
Проблематика, связанная с теоретическими подходами и реализацией методов качественной и количественной оценки свойств отдельных целлюлозных волокон в структуре материала, и, прежде всего, определение собственной прочности и величины межволоконных взаимодействий, как следует из анализа, представленного в главе 1, является предметом многочисленных исследований в течение последних 100 лет. Наиболее существенный вклад внесли работы зарубежных ученых (J.d A.Clark, J.A. Van den Akker, D.H. Page, R.S. Seth, P.M. Hoffman-Jacobsen и др.) и отечественных исследователей (С.Н. Иванов, Д.М. Фляте, В.И. Комаров, А.В. Бывшев и др.). Несмотря на очевидные теоретические успехи в исследованиях прочности волокон, до настоящего времени они недостаточно используются в прикладном аспекте для регулирования и оптимизации качества целлюлозы, бумаги и картона.
Причиной подобного разрыва является то, что надежные, высокоточные и оперативные установки для измерения прочности волокон в структуре целлюлозных материалов были разработаны и стали использоваться лишь в середине 1990-х годов, а в отечественной практике появились только в последние годы. Поэтому сведения о практическом использовании данного подхода имеются в ограниченном количестве и относятся к исследованиям, выполненным в основном в Канаде и США. Основной идеей этих работ является обоснование использования комплексного метода оценки прочности волокна в структуре целлюлозных материалов как альтернативного.
Задачи, решаемые в диссертационной работе, направлены на оценку применимости указанного метода к отечественным условиям, в том числе к специфике технологических процессов, обусловленной особенностями древесного сырья.
В связи с этим, на начальном этапе следовало выполнить ряд экспериментальных исследований, которые позволили бы количественно оценить потенциал волокон наиболее массовых полуфабрикатов для производства бумаги и картона. Подобная оценка должна охватывать комплекс характеристик, измеряемых как известными, так и предлагаемыми современными методами анализа свойств волокон непосредственно в структуре целлюлозного материала.
Для реализации первой задачи исследования выполнены поисковые лабораторные эксперименты, в которых в качестве объектов использовали широкий спектр полуфабрикатов для бумаги и картона:
– сульфатная хвойная целлюлоза высокого выхода (ЦВВ);
– лиственная нейтрально-сульфитная полуцеллюлоза (НСПЦ);
– сульфатная хвойная небеленая (СфаХН) и беленая (СфаХБ) целлюлоза;
– сульфатная лиственная небеленая (СфаЛН) и беленая (СфаЛБ) целлюлоза;
– сульфитная хвойная целлюлоза (Сфи);
– бисульфитная хвойная целлюлоза (Бсфи);
– сульфатная хвойная облагороженная целлюлоза (СфаХОБ).
Указанные полуфабрикаты отличаются структурно-морфологическим строением и выходом из древесины, химическим составом, способом получения, степенью поврежденности и др. Значения характеристик, отражающих химический состав (содержание целлюлозы, лигнина и легкогидролизуемых углеводов), а также структурно-морфологические отличия волокон исследованных полуфабрикатов (средняя длина и ширина, фактор формы, содержание мелкой фракции, грубость, число изломов на волокне и пр.), представлены в таблице 3.1.
Таким образом, в экспериментальные исследования были вовлечены полуфабрикаты, изначально отличающиеся фундаментальными свойствами волокон, что позволило провести анализ потенциала прочности целлюлозных волокон в максимально широком диапазоне.
Измерение прочности структуры лабораторных образцов целлюлозных материалов в воздушно-сухом и увлажненном состоянии проводили с помощью установки Pulmac Zero-Span 1000. Полученные значения представлены в таблице 3.2.
Для анализа фундаментальных свойств волокон в структуре образцов целлюлозных материалов использовали базовые характеристики, представляющие собой три расчетных параметра [159].
Анализ изменения свойств волокон в структуре целлюлозного материала с позиций контроля технологического процесса
В процессе выделения волокон технической целлюлозы из древесного сырья они проходят множество стадий физического, химического и физико-механического воздействия, которые априори должны сказываться на комплексе характеристик как отдельных волокон, так и готовой продукции в виде товарного полуфабриката. При этом специфические особенности получения товарной целлюлозы связаны с породным составом сырья – лиственной или хвойной древесиной – особенностями технологии варки и схемы отбелки полуфабриката.
Современное производство полуфабрикатов для различных видов бумаги, картона и других областей использования характеризуется непрерывностью и высокой производительностью как технологического процесса в целом, так и отдельных его стадий. Например, условное отдельное волокно подвергается воздействию варки в котле не менее 4 часов, отдельных стадий отбелки от 2 до 6 часов. Управление подобными процессами предполагает, с одной стороны, высокий уровень автоматизации, а с другой – ограниченные возможности оперативной корректировки регулируемых технологических факторов. Однако, производителю продукции, а тем более конечному потребителю необходимо иметь уверенность в стабильном и высоком качестве полуфабриката с учетом его последующего целевого использования.
На протяжении всей истории развития непрерывных способов получения целлюлозы и, прежде всего, сульфатного способа, вырабатывалась система оценки свойств полуфабриката на отдельных стадиях технологического процесса и свойств готовой товарной целлюлозы, а также попытки установления взаимосвязей между ними.
В настоящее время основными инструментами для контроля процесса являются измерения числа Каппа, реже – анализ вязкости образцов целлюлозы различными методами. В зависимости от конечного целевого использования целлюлозного полуфабриката в беленом или небеленом виде его свойства оцениваются комплексом из нескольких физико-механических характеристик (сопротивление разрыву, раздиранию, продавливанию, излому и др.). При этом следует отметить, что использование методов оценки структурно-морфологических свойств волокон на отдельных стадиях процесса и в целом используется редко, и однозначных взаимосвязей между геометрическими параметрами индивидуальных волокон и показателями готовой продукции до настоящего времени не установлено.
В связи с развитием изучаемого направления оценки свойств целлюлозных волокон, основанном на измерении характеристик индивидуальных волокон в структуре материала, появилась возможность достаточно оперативного контроля параметров полуфабрикатов и их реакции на технологические воздействия. Однако сведения о наличии и достоверности взаимосвязей собственной прочности волокна, параметра средней длины и параметра межволоконных взаимодействий с химическим составом полуфабриката и его физико-механическими свойствами противоречивы.
В настоящей работе предпринята попытка установить подобные взаимодействия в реальном технологическом процессе получения лиственной и хвойной беленой целлюлозы на ОАО «Архангельский ЦБК».
С учетом сведений, представленных в обзоре литературы, общих задач исследования и результатов, полученных в ходе лабораторных экспериментов, в производственных испытаниях использовался комплексный подход, который включал в себя следующие базовые положения:
– необходимость оценки изменения степени делигнификации целлюлозы в максимально широком диапазоне. Практически это удалось реализовать, исследуя образцы в точках технологического потока, начиная от выгрузки массы из варочного котла, последовательного прохождения операций промывки, сортирования, всех ступеней отбелки и завершая получением товарного полуфабриката;
– углубленный контроль широкого спектра свойств образцов целлюлозы, отличающихся числом Каппа (измерение параметров волокна в структуре, измерение структурно-морфологических характеристик волокон, определение характеристик прочности лабораторных образцов, получение и анализ зависимостей «напряжение-деформация»);
– использование для установления возможных взаимосвязей между отдельными характеристиками волокон и группами их свойств корреляционного и регрессионного анализа. Реализация указанных положений предполагала количественно установить достоверную взаимосвязь между традиционным показателем контроля полуфабриката – числом Каппа – и параметром прочности волокна в структуре образцов целлюлозы FSf (в совокупности с параметрами длины Lf и межволоконных взаимодействий Bf). Тем самым, применительно к технологическим условиям производства беленой целлюлозы на ОАО «Архангельский ЦБК» рассматривалась возможность использования метода контроля свойств волокон в структуре целлюлозных образцов в качестве альтернативного по отношению к существующим.
В рамках реализации эксперимента произведены две группы отборов проб в точках технологического потока, указанных на рисунке 3.18.
