Введение к работе
з
Актуальность темы. Целлюлозно-бумажная промышленность России переживает достаточно сложное время. Объём производства основ-юй продукции ЦБП сократился приблизительно втрое по сравнению с юнцом 80-х годов. Падение производства сопровождается обострением практически всех проблем, присутствовавших в ЦБП России в дорыноч-ше времена, и появлением рада новых осложнений. Так, наряду с низким техническим уровнем производства, неудовлетворительным качеством продукции и экологическими проблемами, возникли трудности с оборот-іьгми средствами и иішестициями, что в целом определило неспособность з настоящее время отечественной ЦБП к производству конкурентоспо-х>бных на мировом рынке видов продукции.
Анализ состояния российской целлюлозно-бумажной отрасли пока-іьгоает, что пути изменения ситуации к лучшему могут быть найдены іишь в случае комплексного подхода к решению проблем. Это означает, гго необходимы усилия практически по всем направлениям, определяю-цим развитие отрасли, а именно: научное обеспечение, техническое пере-юоружение, организация производства и маркетинга, совершенствова-те технологии, решение технологических проблем.
Настоящая работа отнюдь не претендует на участие в развитии всех зышеперечисленных направлений. Однако следует учитывать, что определённые продвижения по некоторым проблемам не могут не сказаться толожителыго на всём комплексе вопросов, тесно связанных друг с другом.
Вероятно, наиболее актуальной проблемой, стоящей перед ЦБП в тстоящее время, является низкое качество бумаги и картона при относительно высокой их себестоимости. Это - достаточно ёмкие категории, в іначительной степени определяющие конкурентоспособность продукции. Товышение качества продукции напрямую зависит от используемых по-іуфабрикатов, химикатов, уровня технологии, состояния оборудования и )рганизации производства. Развитие комплекса этих направлений - наиболее перспективный путь выхода из кризиса ЦБП.
Возможно, наиболее перспективным путём выхода из кризисной ситуации является разработка и использование новых эффективных пропсов и технологий, способных радикально изменить соотношение ка-іества и себестоимости бумаги и картона, создать новые виды продук-щи, обеспечить конкурентоспособность на мировом рынке.
Анализ научно-технической информации в области технологии бу-і аги и картона позволяет сформулировать основные направления техни-іеского прогресса. К ним следует отнести:
повышение производительности бумаго- и картоноделательнь
машин главным образом за счёт- повышения скорости;
расширение использования полуфабрикатов высокого и сверхвї сокого выхода и вторичного сырья без заметного снижения к чества продукции;
снижение материало- и энергоёмкости производства бумаги картона;
повышение качества готовой продукции, расширение ассортимеї та и создание новых видов бумаги, картона и композиционнь материалов в соответствии с потребностями рынка.
При этом должны соблюдаться основные условия успешного разві тия отрасли - экономическая эффективность и экологическая безопа ность производства. Очевидная противоречивость успешной реализащ сформулированных выше направлений предопределяет необходимое-новых нетрадиционных решений в сфере технологии и оборудования до производства бумаги и картона [1]. К таковым следует отнести:
реализация принципа совмещения процессов, а именно, процессе напуска и формования, формования и прессования, прессования сушки. Примерами являются формование из массы повышеннь концентраций, создание многоканальных напускных устройст двухсеточное формование, прессовая и импульсная сушка, мягк< каландрирование и т.д.;
развитие систем многослойного формования бумаги и картон Это направление реализовано путём создания широкой гамм различных «гибрид»-формеров, плоскосеточных машин с верхні ми формующими устройствами;
создание и использование для интенсификации производства вь сокоэффективных химических вспомогательных веществ как до введения в бумажную массу, так и для нанесения на поверхнося бумаги и картона;
изменение дисперсионной среды в производстве бумаги и картон; Помимо традиционного гидродинамического способа произво; ства и перспективного аэродинамического способа формованії значительный интерес вызывает промежуточный, так называемы пенный способ формования.
Перечисленные проблемы, естественно, не охватывают всех вопрс сов современного развития технологии и оборудования бумажне картонного производства. Их решение, однако, в определённой степсн способствует улучшению экономической эффективности и экологическо безопасности отрасли, повышению конкурентоспособности основных ш дов продукции.
Цель работы. Исходя из вышеизложенного, представляется целесо-бразным для исследования в настоящей работе поставить следующие адачи:
изучить особенности образования межволоконных связей в процессе обезвоживания полотна;
установить основные факторы формирования макроструктуры бумаги и картона;
выявить роль дисперсионной среды в процессе формования бумаги и удерживаемости компонентов бумажной массы;
разработать технологию многослойного формования бумаги и картона;
в разработать технологию формования из массы повышенной концентрации;
разработать технологию формования бумаги из пенной среды.
Исследование указанных областей технологии является необходи-
ым условием развития современных систем формования бумаги и кар-эна. Таким образом, целью диссертационной работы является решение рупной отраслевой задачи - разработка перспективных технологий ормования бумаги и картона на основе исследования закономерностей ?язеобразования, формирования макроструктуры и взаимодействия эмпонентов бумажной массы и дисперсионной среды. Научная новизна. В работе впервые:
И путём термохимических, электрокинетических, реологических исследований получены новые данные о процессе взаимодействия целлюлозы с водой, касающиеся теплоты смачивания целлюлозы водой и растворами электролитов, природы электрокинетического потенциала целлюлозных материалов в водных средах, струк-турообразования при повышенных (2,5 - 4,0 %) концентрациях, механизме ослабления и разрыва связей в процессе размола целлюлозы; п определено влияние длины волокна , его гидратации, электрокинетического потенциала на процесс флокуляции. Установлена зависимость от этих параметров, а также от критериев на их основе, неравномерности макроструктуры бумажного листа. Показано влияние на формирование макроструктуры некоторых химических вспомогательных веществ; Э исследован процесс связеобразования бумажного листа в широком диапазоне концентраций (от 0,1 до 95% сухого вещества). Установлено наличие критических точек па кривой сухость -прочность (7 - 8%; 50 - 55%) связанных с фазовыми изменениями в бумажном листе;
путём исследования элементарных слоев и многослойных структур на их основе определены причины увеличения прочности многослойных материалов, связанные как с возможностью сниженш концентрации при отливе элементарных слоев, так и с уменьшением неравномерности в многослойном материале благодаря перекрытию слабых участков полотна более прочными участками;
показана возможность использования для упрочнения бумаги у, картона гидротропных веществ - нового класса химических вспомогательных веществ, способствующих усилению гидратации волокон в процессе размола;
в процессе исследования удерживаемости компонентов бумажной массы на сетке бумагоделательной машины показана высокая эффективность новых флокулянтов - сополимеров эфиров целлюлозы и акриламида;
исследованы свойства волокнистых суспензий в пенной среде Установлено, что волокна в пенной среде располагаются в межпузырьковом пространстве и возможность их флокуляции практически исключена. Определены необходимые виды и концентрации поверхностно-активных веществ для создания пенной суспензии установлены оптимальные размеры воздушных пузырьков и га объёмное содержание.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
определены и ранжированы характеристики бумажной массы влияющие на процесс макрофлокуляции и, соответственно, на неравномерность макроструктуры бумажного полотна. К их числ) следует отнести вид волокна, композицию бумажной массы, длин) волокна, степень гидратации волокон, электрокинетический потенциал. Показано значительное влияние на неравномерное^ макроструктуры условий диспергирования бумажной массы в напускных устройствах и условий отлива полотна в регистровой части сеточного стола. С учётом изменения вышеуказанных параметров рассмотрено влияние различных химических вспомогательных веществ, а также неволокнистых компонентов бумажной массы на неравномерность макроструктуры. С учётом вышеизложенного разработаны рекомендации по технологическим процессам и определённым видам продукции;
разработана технология многослойного отлива конкрегных видої бумаги и картона, в частности, картона для гладких слоев гофрокартона, коробочного картона, мешочной бумаги на плоскосе-
точных бумаго- и картоноделательных машинах с верхними формующими устройствами. Определены масса 1 мг элементарных слоев, условия соединения слоев, концентрация в напускных устройствах для каждого слоя. Сформулированы рекомендации по отдельным видам и маркам продукции;
И на основании реологических исследований определён уровень необходимого механического воздействия для получения устойчивой трёхмерной структуры бумажной массы с концентрацией 2,5 -4,0%. С учётом полученных данных разработан вариант напускного устройства с принудительным диспергированием для реализации процесса формования полотна из бумажной массы повышенной концентрации. Полученные образцы бумаги охарактеризованы по равномерности макроструктуры и прочностным показателям. Сформулированы основные принципы использования данного метода формования для конкретных видов продукции;
И разработана технология формования бумаги в пенной среде. Данный способ формования охарактеризован как промежуточный между формованием из водной среды и аэродинамическим. Определены параметры пенной среды, её устойчивость, условия создания пенной гндросуспензии. Созданы образцы лабораторного, стендового и опытно - промышленного пеногенератора. В лабораторных и стендовых условиях получены образцы различных видов продукции, в частности, фильтровальных видов бумаги, бумаги для медицинских целей, реставрационных видов бумаги, электроизоляционных видов бумаги, различных видов бумаги специального назначения. Исследованы в плане пенного формования различные виды волокон - целлюлозные, вискозные, виниловые, полиамидные, угленовые, стекловолокна и другие. Установлено, что пенный способ формования позволяет кардинально изменить технологию получения длинноволокнистых материалов, снизив в сотни раз расход воды для разбавления длинноволокнистой бумажной массы. В связи с этим ликвидируется необходимость создания специальных бумагоделательных машин для получения материалов из длинных и сверхдлинных волокон, резко снижается энергоемкость процесса формования. Создаются особые возможности для получения материалов с достаточно равномерной макроструктурой. Некоторые из них могут быть получены только пенным способом формования. Определены экологические параметры пенного способа формования, перспективы развития этого способа и области применения;
О проведены лабораторные, полупромышленные и промышленные испытания новых химических вспомогательных веществ. Разрабо-
тана технология использования гидротропных веществ в прои' водстве бумаги, в частности карбамида. Дозирование в колі честве 1,5 - 2,5% от массы волокна карбамида в процессе размої способствует увеличению гидратации волокон, повышение ги( кости и пластичности волокон. Соответственно, улучшаютс прочностные и барьерные характеристики бумаги, повышается к стабильность. Наиболее эффективно использование карбамида производстве бумаги, требующей высокоразмолотой бумажно массы с сохранением длины волокна, в частности, подпергамент Разработаны рекомендации по использованию гидротропных ві ществ в производстве бумаги;
изучены не имеющие аналогов в мировой практике флокулянті полученные путём сополимеризации эфиров целлюлозы и акрі ламида. Сверхвысокая молекулярная масса, разветвлённость маї ромолекулы и высокое сродство к целлюлозным материалам пс зволяет достичь практически полной удерживаемое на сет* компонентов бумажной массы (98 - 99%). Флокулянты испытан в различных видах продукции, определены оптимальные дозирої ки, обеспечивающие высокую удерживаемость компонентов пр сохранении необходимого уровня равномерности макрострукг ры;
разработан новый метод подготовки исходных данных на моде{ низацию основного оборудования и создание новых технологии ских потоков по производству бумаги и картона. Метод основа на определении коэффициентов перехода для различных кої струкций бумаго- и картоноделательных машин и позволяет с вь сокой точностью определять свойства продукции, которая буде производиться на модернизируемых и новых бумаго- и картоне делатсльных машинах;
В по выданным исходным данным реализован ряд технических прс ектов по модернизации и созданию новых промышленных обьеі тов. Наиболее крупные из них - картоноделательная машина длинным плоскосеточным столом и двумя верхними формующим устройствами на Светлогорском ЦБК (Белоруссия) - первая в от< чественной практике, новая картоноделательная машина с вер; ним формующим устройством в г. Цзямусы (Китай), новые карте ноделательные машины в Болгарии и Румынии.
На защиту выносятся следующие результаты работы:
И новые данные о процессе взаимодействия целлюлозы с водой;
В основные закономерности процесса флокуляции волокнистых систем и формирования макроструктуры бумажного листа;
И новые данные о процессе связеобразования в бумажном листе в широком диапазоне сухостей, в том числе наличие критических точек на кривой сухость - прочность, связанных с фазовыми изменениями в бумажном листе;
а технология использования для упрочнения бумаги гидротропных веществ - нового класса вспомогательных веществ, способствующих усилению гидратации волокон в процессе размола;
а технология использования для удерживаемости компонентов бумажной массы нового класса высокоэффективных флокулянтов -сополимеров эфиров целлюлозы и акрилам ида;
0 технология многослойного формования картона для гладких слоев гофрокартона, коробочного картона, мешочной бумаги;
а новый метод подготовки исходных данных на модернизацию основного оборудования и создание новых технологических потоков с использованием коэффициентов перехода;
П основы технологии формования бумаги из массы повышенной (2,5 - 4,0%) концентрации;
И основы технологии пенного способа производства бумаги.
Апробация работы. Различные части работы опубликованы в семи-;яти печатных материалах, в их числе тринадцать авторских свиде-тьств и патентов. Результаты работ по формованию опубликованы в иге «Технология формования бумаги и картона» (1984 г.). Многие ма-эиалы докладывались на отраслевых и международных семинарах и .шозиумах. По отдельным частям работы подготовлены и успешно за-[щены шесть диссертаций на соискание ученой степени кандидата тех-ческих наук.
