Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1 .Тарный картон из макулатурного сырья, изменение бумагообразующих свойств волокна в технологических процессах 11
1.1.1 .Тенденции, сырье и общая технология тарного картона 11
1.1.2. Физико-механические свойства тарного картона и изменение бумагообразующих свойств волокна при многократной переработке 14
1.1.3. Фракционирование макулатурной массы в процессах технологии и использование потенциала бумагообразующих свойств фракционированной массы 24
2. Теоретические и технологические аспекты применения химических функциональных средств в технологии тарного картона 31
2.1. Общие данные о применении химических средств в технологии и их роль в производстве тарного картона из макулатуры 31
2.2. Основные аспекты применения ангидридов алкенилянтарных кислот и димеров алкилкетена в технологии проклейки 33
2.3. Крахмалопродукты и их применение в технологии картона 43
2.4. Применение систем химических средств в технологии 47
3. Межволоконное связеобразование в бумажной массе из макулатуры, механизм, влияющие факторы и роль электроповерхностных свойств компонентов массы 51
3.1. Теоретические основы связеобразования в макулатурной массе и основные факторы связеобразования 51
3.2. Электроповерхностные свойства компонентов бумажной массы и их роль в процессах технологии 55
3.3. Характерные особенности волокна, обуславливаемые элетроповерхностными явлениями, стабильность и коагуляция композиций бумажной массы 57
4. Выводы по обзору литературы и концепция достижения цели диссертационной работы 62
Глава 2. Методическая часть 65
2.1. Объекты и методики исследований 65
2.2. Лабораторное оборудование и исследование массы 68
2.3. Фракционатор на базе сортировки центробежной напорной СЦН-09-02 80
2.4. Изготовление и испытание лабораторных образцов тест-лайнера 82
2.5. Характеристика функциональных химических средств 83
2.6. Статистическая обработка данных эксперимента 87
Глава 3. Экспериментальная часть 89
3.1. Исследование эффективности использования макулатуры МС-5Б, катионного клея и крахмала различного качества в технологии тест-лайнера 89
3.1.1. Исследование качества макулатуры МС-5Б и обоснование деления ее на сорта 89
3.1.2. Исследование эффективности катионного клея в технологии тест-лайнера 95
3.1.3. Исследование эффективности катионного крахмала в технологии тест-лайнера 98
3.2. Исследование влияния фракционирования на качество композиций бумажной массы для производства тест-лайнера 101
3.2.1. Исследование фракционирования массы 101
3.2.2. Характеристики фракций и композиций бумажной массы 106
3.2.3. Исследование качества композиций бумажной массы из фракций короткого и длинного волокна 116
3.3. Исследование влияния размола на качество коротко и длинноволокнистой фракции, свойства композиций бумажной массы и качество тест-лайнера 120
3.3.1. Исследование влияния размола на распределение фракций по длине волокна при фракционировании массы из макулатуры 120
3.3.2. Исследование влияния содержания КВФ и размола фракций на качество бумажной массы 122
3.4. Разработка композиций массы из короткого- и длинного волокна с катионным димером алкилкетена и катионным крахмалом 123
3.4.1. Теоретические предпосылки повышения эффективности использования волокна из макулатуры, катионного клея и крахмала 123
3.4.2. Исследование электрокинетического потенциала, катионной потребности, мутности и концентрации крахмала в подсеточной воде фракций волокна и бумажной массы 130
3.4.3. Исследование физико-механических показателей и впитываемости композиций 138
3.4.4. Исследование влияния лучших вариантов композиций бумажной массы на качество подсеточной воды 152
3.5. Опытно-промышленные исследования композиций бумажной массы в производстве тест-лайнера 156
3.6. Технологические решения для совершенствования производства тест-лайнера и повышения его качества на основе 160
3.7. Технико-экономическая оценка использования результатов диссертационной работы в производстве 162
Общие выводы 162
Библиографический список 164
Приложение
- Теоретические и технологические аспекты применения химических функциональных средств в технологии тарного картона
- Межволоконное связеобразование в бумажной массе из макулатуры, механизм, влияющие факторы и роль электроповерхностных свойств компонентов массы
- Изготовление и испытание лабораторных образцов тест-лайнера
- Исследование влияния фракционирования на качество композиций бумажной массы для производства тест-лайнера
Введение к работе
Производство тест-лайнера и флютинга - основных конструкционных элементов гофрированного картона тароупаковочного назначения является приоритетным направлением использования макулатуры. Государственная программа перспективного развития лесопромышленного комплекса России до 2020 г. предусматривает существенное наращивание потенциала основных промышленных производств высокоэкономичной переработки древесины, включая целлюлозно-бумажную отрасль. Реализация программы неизбежно существенно увеличит ресурсы макулатуры. В плане новых перспектив, научные разработки в области техники и технологии рациональной переработки макулатуры, отвечают экономическим задачам развития государства.
В сравнении с многообразием видов первичного волокна для бумаги и картона, макулатура — это ресурсосберегающий источник вторичного волокна, которому, в силу многократного участия в разнохарактерных технологических процессах переработки не поддающегося прогнозированию состава, свойственна стабильная тенденция к снижению качества. Очевидно, что данная отрицательная тенденция обуславливает необходимость непрерывного совершенствования технологии, оборудования и разработки новых процессов для компенсации теряемой доли положительного потенциала бумагообразующих свойств волокна. Важными процессами технологии, которые могут привести к решению задачи повышения потенциала свойств волокна являются фракционирование и раздельная обработка фракций.
Фракционирование вторичного волокна для возможности более рационального использования отдельных фракций по длине волокна является прогрессивной ступенью в технологии тарного картона из макулатуры. А раздельная обработка фракций волокна функциональными химическими средствами позволяет более эффективно раскрыть потенциал бумагообразующих свойств фракций вторичного волокна в придании требуемого качества продукции. Что касается фракционирования, то без него
не обходится современная мировая технология переработки макулатуры в тарный картон. Следуя в фарватере современных технологических решений, отечественные предприятия активно осваивают эту положительную ступень в развитии. В сравнении с еще относительно малым историческим опытом фракционирования, использование химических функциональных средств на протяжении многих десятилетий является важнейшим фактором успешного развития технологии бумаги и картона. Широко используемыми химическими веществами являются: гидрофобизирующие, связующие, обезвоживающие, флоккулирующие, биоциды. Представляющие различные классы химических веществ, они выполняют вполне определенные функции в технологическом потоке. Следует указать, что перечисленные химические вещества присутствуют практически во всех волокнистых массах бумажного и картонного производства. Со всей определенностью можно утверждать, что их качественное и количественное содержание в волокнистой массе в сочетании со свойствами волокна; существенно влияет на бумагообразующие факторы технологи, качество бумаги и картона.
Особо подчеркнем, что наличие огромного опыта использования химических средств в технологии бумаги и картона не гарантирует ожидаемого стабильного максимально положительного эффекта. И в каждом конкретном технологическом процессе следует искать оптимум, как в целесообразности видов применяемых химических средств, так и в их количестве. Такая задача почти постоянно решается технологами и обусловлена она, как выше уже указывалось, поливариантностью свойств вторичного волокна, снижением качества волокна и свойствами полученной из него бумажной массы. К указанным факторам следует добавить влияние свойств самих химических веществ, которые постоянно претерпевают направленную модификацию для более эффективного оказания своего функционального воздействия на водноволокнистую систему в целом и на свойства продукции, в частности.
В плане вышеизложенного, удовлетворение качества тест-лайнера и флютинга все возрастающим требованиям, предопределяет углубление знаний в областях улучшения бумагообразующих свойств композиций вторичного волокна, влияния химических веществ на бумагообразующие свойства композиций волокнистой массы, протекания основных технологических процессов и качества продукции.
Учитывая, что для нынешнего этапа развития бумагоделательной технологии характерен отлив листов в нейтральной или слабощелочной среде, так называемое «нейтральное» производство, то совершенствование технологии тест-лайнера должно в максимальной степени учитывать его особенности. Доминирование нейтральной технологии обязано разработке и широкому применению новых высокоэффективных катионных химических средств и, прежде всего, катионным клеям (гидрофобизаторам) и катионным крахмалам (упрочнителям). Эти химические функциональные средства стали главными в производстве тест-лайнера.
Диссертационная работа посвящена исследованиям, направленным на совершенствование технологии тест-лайнера на основе изучения влияния волокна из макулатуры, катионного крахмала и катионного клея на качество бумажной массы и уровень физико-механических показателей тест-лайнера.
Таким образом, актуальность диссертации определяется следующими факторами:
1. Достигнутыми масштабами и перспективой значительного роста
объемов ресурсосберегающего сырья - макулатуры, требующей рациональной
переработки.
2. Необходимостью углубления знаний по взаимодействию
полидисперсного волокна и химических компонентов в бумажной массе.
3. Возможностью создать новые высокоэффективные композиции
бумажной массы с более глубоким раскрытием потенциала их
бумагообразующих свойств.
Цель и задачи исследований. Цель диссертационной работы -
исследование влияния взаимодействия фракций волокна из макулатуры с
клеем и крахмалом на свойства бумажной массы для совершенствования
технологии и повышения качества тест-лайнера.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследовать эффективность использования макулатуры МС-5Б,
катионного клея и крахмала с различными свойствами в технологии тест-
лайнера.
2. Установить влияние усовершенствованного процесса
фракционирования на раскрытие потенциала физико-механических свойств и
способность к водоотдаче бумажной массы для производства тест-лайнера.
3. Исследовать влияние размола на свойства фракций короткого и
длинного волокна и их соотношения в бумажной массе на физико-
механические свойства и впитываемость тест-лайнера.
Исследовать влияние раздельного взаимодействия фракций короткого и длинного волокна с катионным клеем и крахмалом на свойства бумажной массы и качество тест-лайнера
Установить влияние раздельного взаимодействия фракций короткого и длинного волокна с катионным клеем и крахмалом на содержание взвешенных веществ и ХПК подсеточной воды.
б.Провести исследования эффективности раздельной обработки фракций короткого и длинного волокна на качество тест-лайнера в опытно-промышленных условиях.
7. Предложить новые решения по совершенствованию технологии тест-лайнера из макулатуры для повышения его качества и эффективности производства
Апробация работы. Основные положения диссертационных
исследований докладывались, обсуждались и получили положительную
оценку на следующих конференциях: «Современные научные основы и
инновационные технологии бумажно-картонных материалов с
9 использованием вторичного волокна из макулатуры», Караваево, 2006. «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья», Барнаул, 2007. «Научные основы инновационных технологий бумаги и картона». Полотняный Завод, 2008. «Гофрокартон от сырья до печати». С.-Пб., 2008. «Химия в ЦБП». С.-Пб. 2008. Современные массоподготовительные системы бумажно-картонного производства. С.-Пб., 2009.
Опытно-промышленные испытания и технико-экономическая оценка. Результаты диссертационных исследований испытаны в промышленных условиях ООО «Сухонский целлюлозно-бумажный завод». Результаты исследований подтверждены актами опытно-промышленных выработок (приложения №3 и №4).
Реальный экономический эффект от внедрения результатов диссертации за 2007-2008 г.г. составил 17286,2 тыс. руб. (акт о внедрении результатов исследований представлен в приложении № 5 к диссертационной работе), а ожидаемый от расширенного внедрения в 2009 г. составит- 25415.0 тыс. руб.
Обоснованность и достоверность результатов и выводов. Обоснованность и достоверность результатов работы и выводов по работе базируется на: применении современной материально-технической базы исследований - методов, методик, приборов и оборудования; применении общепринятых методов проведения экспериментальных работ с обработкой данных методами математической статистики; выполнении необходимого массива исследований; использовании аккредитованных лабораторий и поверенных приборов и оборудования.
Выводы по диссертации экспериментально подтверждены.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 научных трудах. В журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, опубликовано 2 научных труда и 8 трудов - в материалах семинаров и конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав: аналитический обзор; методическая часть; экспериментальная часть,
10 состоящая из 7 разделов; общих выводов; 5 приложений на 29 страницах, библиографического списка первоисточников, включающего 152 наименования. Диссертация изложена на 205 страницах машинописного текста, включая таблиц 25 и 65 рисунков.
Автором на защиту выносятся следующие основные результаты диссертационной работы:
- анализ проблемы качества картонов-лайнеров и концепцию
повышения потенциала бумагообразующих свойств волокна из макулатуры и
качества тест-лайнера;
экспериментальные данные об эффективности деления макулатуры МС-5Б на сорта, применения катионного клея и крахмала в производстве тест-лайнера;
экспериментальные данные об эффективности усовершенствованного способа фракционирования массы из макулатуры и влиянии фракций короткого и длинного волокна на качество для тест-лайнера;
исследования по влиянию размола на свойства фракций короткого и длинного волокна, а также их соотношения в бумажной массе на качество тест-лайнера;
анализ данных об условиях получения бумажной массы из фракций длинного и короткого волокна с катионным клеем и катионным крахмалом с повышенным потенциалом свойств для производства тест-лайнера с заданными свойствами;
анализ экспериментальных данных о влиянии бумажной массы из фракций длинного и короткого волокна с катионным клеем и катионным крахмалом на концентрацию взвешенных веществ и ХПК подсеточной воды;
технологические решения для совершенствования производства тест-лайнера и повышения его качества на основе результатов диссертационных исследований.
Теоретические и технологические аспекты применения химических функциональных средств в технологии тарного картона
Современная бумагоделательная технология в целом и производство бумаги картона, в частности из вторичного волокна, невозможно представить без применения химических функциональных средств (ХФС). Применение химикатов в технологии настолько важная область науки и практики, что на протяжении всей истории развития бумагоделательного процесса ей уделялось и в настоящее время уделяется приоритетное внимание. Среди множества научных работ в этой области, приведем лишь основные, обширный материал которых составляет фундаментальные основы применения химических средств в технологии [43, 47, 68-87].
За последние 25...30 лет объемы применения продуктов химии относительно объемов произведенной продукции возросли примерно в 2 раза. В мировом производстве бумаги и картона химические добавки составляют 3 % от общего количества компонентов бумажной массы (без учета сернокислого алюминия и крахмала - 1 %). В России - только около 0,3 %. В отечественной бумажной промышленности в нейтральной среде вырабатывается около 20 % от общего объема бумаги и картона, с проклейкой в нейтральной среде - около 17 % [70].
Все классы химических продуктов по их эффекту в производстве бумажной продукции подразделяют на две группы [88, 89]: функциональные химикаты — для управления свойствами готовой продукции обеспечивающие определенные свойства готовой продукции (проклеивающие, связующие, фиксирующие, упрочняющие, красители и др.); процессные химикаты - управление эффективностью работы бумаго- или картоноделательной машины (флокулирующие, деаэраторы, антиадгезивы, пеногасители, биоциды и др.).
Наиболее потребляемыми являются проклеивающие, обезвоживающие, фиксирующие и упрочняющие вещества. Представляющие различные классы химических веществ, они выполняют вполне определенные функции в технологическом потоке. Указанный набор химических средств присутствует практически во всех волокнистых массах бумажного или картонного производства. Очевидно, что их качественное и количественное сочетание в волокнистой массе будет существенно влиять на производимый продукт. Наличие огромного опыта применения этих веществ в технологии бумаги и картона и сегодня не гарантирует стабильного максимально положительного эффекта. И в каждом конкретном технологическом процессе следует искать оптимальное сочетание как в целесообразности применения видов химических средств, так и в их количестве. Авторы работ [70-76] обращают внимание на эффективное действие химикатов в строго определенном диапазоне рН среды. Современное производство бумаги и картона использует широкий интервал рН — от 4,5 до 8,5, который охватывает слабокислую, нейтральную и слабощелочную область активной кислотности бумажной массы. Отметим, что около 80% бумаги и картона в мире производится в нейтральной и слабощелочной среде. В отечественном производстве эта доля составляет 20 % и постоянно увеличивается [70-72].
Приоритетность развиваемого направления производства бумаги и картона в нейтральной и слабощелочной среде объясняется целым рядом значимых преимуществ перед изготовлением в кислой среде. Это стало возможным благодаря разработке новых синтетических проклеивающих химических средств, прежде всего димеров алкилкетена (АКД) и ангидридов алкенил янтарной кислоты или алкенил сукцинового ангидрида (АСА). Развитию прогрессивного «нейтрального» способа послужило создание целого ряда катионных крахмалов, составивших с АКД и АСА эффективную систему в новой технологии [73-79].
Далее остановимся на углубленном анализе литературных данных о производстве бумаги и картона в нейтральной и слабощелочной среде, область исследований которой является одной из основных задач диссертационной работы.
Из общих сведений об использовании химических средств в технологии бумаги следует, что приоритетное развитие производства бумаги и картона в нейтральной и слабощелочной стало возможным благодаря созданию новых гидрофобизирующих средств. Главным их достоинством является обеспечение требуемого уровня проклейки в условиях нейтральной и слабощелочной среды. В работе [90] достаточно подробно показаны преимущества, которые связаны с новой технологией - проведением бумагоделательного процесса в нейтральной или слабощелочной среде. Главными из них стали: повышение механической прочности бумаги и картона, с чем связана возможность экономии высокопрочной хвойной целлюлозы заменой ее лиственными видами, возможность использования более дешевого наполнителя — карбоната кальция, повышения эффективности оптических отбеливателей на 25-40%, снижения коррозии бумагоделательного оборудования.
Однако в данной работе [90], как и во многих других, не приводится основной недостаток так называемого «нейтрального» способа производства бумаги и картона - некомпенсированная электроотрицательность бумажной массы, которая при классическом «кислом» способе производства регулировалась сульфатом алюминия. Отсюда возникли проблемы удержания компонентов бумажной массы, очистки оборотной и избыточной воды, экономической эффективности. На данный аспект при применении химических средств в технологии обращено четкое внимание в работе [89]. Его более подробному рассмотрению будет посвящена специальная тема, так как одной из тем исследований автора является изучение электроповерхностных свойств компонентов бумажной массы [91],
Известно, что с целью придания бумаге и картону определенной степени гидрофобности, в технологический цикл производства включают процесс проклейки. Учитывая, что современное полуфабрикатное производство обеспечивает широкое многообразие первичных и вторичных волокнистых материалов по бумагообразующим свойствам, следовало ожидать проявления проклеивающими средствами различной эффективности гидрофобизации бумаги и картона в зависимости от композиции массы по волокнистому составу и условий их изготовления. Такой фактор, как «способность волокнистой массы к проклейке» всегда был центральным при разработке гидрофобизирующих средств и технологий проклейки. И, несмотря на достаточно емкие научные разработки в данной области [69, 91], практическое использование той или иной технологии проклейки постоянно сопряжено с проблемой стабильного удержания гидрофобности продукции на заданном уровне. Значительные колебания во времени гидрофобных свойств продукции, а в некоторые периоды их почти полное исчезновение и плохая управляемость проклейкой, говорит о еще недостаточности знаний о механизме и кинетических закономерностях протекания этого многофакторного процесса.
Рассматривая область проклейки бумаги и картона, изначально следует исходить из основ технологии этих материалов - отлив листов из водных суспензий древесных волокнистых полуфабрикатов при активной кислотности суспензии близкой к нейтральной. Уровень кислотности композиции водноволокнистой суспензии (бумажной массы) определяется видом волокнистых полуфабрикатов и характером предусмотренных в технологии химических функциональных средств. В существующих технологиях он не должен выходить за пределы рН 4,8 - 9,0. Кислотный гидролиз и щелочное разрушение волокна (углеводной части волокна) и интенсивная коррозия оборудования в агрессивных кислых или щелочных средах, являются главными ограничительными факторами интервала рН бумажной массы. Отсюда, все химические средства для производства бумаги и картона должны выполнять свои функциональные назначения в пределах указанного интервала рН.
Учитывая это фактор, для придания бумаге и картону определенной степени гидрофобных свойств разработан достаточно широкий набор химических средств, которыми можно качественно проклеивать во всем интервале рН - от 4,8 до 9,0. Виды химикатов и их рабочие интервалы рН представлены на диаграмме, рис. 1.7 [92].
Межволоконное связеобразование в бумажной массе из макулатуры, механизм, влияющие факторы и роль электроповерхностных свойств компонентов массы
При изготовлении из регенерированного макулатурного волокна бумаги и картона в значительной степени проявляются отличительные свойства этих волокон. Наиболее сильно они проявляются в производстве высококачественного тарного картона [3-5]. Для этой продукции из вторичного волокна механическая прочность служит основополагающим критерием конкурентоспособности на рынке. Прочность бумаги и картона, по данным работ [1,29,108], определяется следующими факторами: прочностью волокон, их гибкостью и размерами; силами межволоконной связи и площадью их действия; пространственным расположением и плотностью волокон в структуре листа. Интегрирующим результатом действия всех факторов являются силы связи между волокнами. Они же являются лимитирующим фактором прочности бумаги и картона.
Очевидно, что проблема упрочнения и, как следствие, обеспечения производства продукции на основе вторичного волокна из макулатуры с требуемыми показателями физико-механических свойств может быть решена за счет увеличения сил связи между волокнами.
Теоретической основой технологии бумажно-картонной продукции [109], служит учение о структурообразовании водно-волокнистых систем. Суспендировованные в воде природные волокна, в силу естественных свойств, даже в сильно разбавленных системах образуют межволоконные контакты. Достаточное количество волокон обусловливает их связывание в сплошную пространственную сетку [109]; при недостатке волокон и отсутствии перемешивания в системе образуются отдельные сгустки волокон - флокулы [ПО]. Явление самопроизвольной флокуляции волокна достаточно известно [43]. С ней связана проблема формования однородной структуры листов бумаги и картона, т.е. имеющей изотропные свойства. В реальности бумага и картон имеют выраженную анизотропию свойств. Чем в большей степени неоднородная структура, тем меньше ее прочность, хуже другие свойства. Положительное проявление флокуляции заключается в повышении степени удержания мелкого волокна, наполнителей, проклеивающих и других компонентов бумажной массы [43]. Отличаясь существенно большей размерной неоднородностью и разнообразием свойств, вторичное волокно обусловливает формирование структуры листов с более сильным проявлением анизотропии и, соответственно, с низшими потребительскими свойствами [5].
Водные дисперсии целлюлозы относятся к обратимым тиксотропно-коагуляционным структурам, а структурирование целлюлозно-волокнистых систем подчиняется закономерностям межволоконных контактов коагуляционного типа. [111-113]. Эти данные подтверждают принадлежность целлюлозно-волокнистых суспензий и бумажно-картонных материалов к коллоидным системам, на что указывается в работах [43, 68]. Главным выводом из анализируемых научных данных является следующее: структурирование в системах «волокно—вода» протекает самопроизвольно по механизму образования межволоконных контактов коагуляционного типа, для которых характерно наличие прослойки воды между сопряженными поверхностями волокон. Таким образом, обязательное условие для образования сил связи между волокнами - наличие воды и ее активное участие в связеобразовании. При этом, как указывается в работе [109], образование межволоконных контактов через прослойки воды происходит вплоть до 40-50 % сухости бумажного листа. А в цикле работ [114-116] отмечается значительный рост прочности сухой бумаги при ее увлажнении до воздушно-сухой влажности 6-8 % и приводятся доказательства наличия гидратных прослоек связанной воды в воздушно-сухой бумаге. Ими определена толщина такой прослойки - 0,8-1,0 нм, что характерно для основной массы межволоконных контактов. Необходимо обратить внимание на тот факт, что во всех этих исследованиях речь идет о связанной воде. Другими исследованиями установлена высокая степень упорядоченности воды в местах межволоконных контактов и пристеночных слоях воды [117-119]. Это подтверждает участие воды в межволоконных связях, а именно в водородных связях между функциональными группами волокна [42 44]. Механизм межволоконного связеобразования через прослойку воды наглядно представлен нарис. 1.19 [47].
Выполненный анализ научных данных дает достаточно обоснованный ответ об одном из важнейших факторов межволоконного связеобразования в структуре бумаги и картона. Это обязательное наличие структурированной воды между сопряженными поверхностями волокон.
Другим, не менее важным фактором межволоконного связеобразования признается электростатическое взаимодействие [115]. Его доля в воздушно-сухой бумаге может составлять 40-60 % Электростатическое взаимодействие предполагает наличие поверхностных зарядов, для возникновения которых в водно-волокнистой суспензии бумажной массы всегда имеются условия. Только в одних случаях они более благоприятны, а в других - менее.
Что касается теоретических взглядов на роль и значение электрических зарядов и двойного электрического слоя (ДЭС) на поверхности целлюлозных волокон, влияние их на протекание коллоидно-химических процессов и основных процессов производства бумаги и картона, то они очень важны и для исследований по теме диссертации требуют более углубленного рассмотрения. Анализ литературных данные по этой теме приводится ниже.
Еще одним из основных факторов свойств волокна, которое следует учитывать в процессах технологи, это релаксационное или физическое состояние волокна. По теории, изложенной в работе [119], процесс получения бумаги включает изменение релаксационного состояния волокнистых полуфабрикатов в качестве составляющей общего механизма придания прочности и др. свойств. Основное положение ее сводится к тому, что составляющие клеточную стенку волокна полимеры (целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин) и волокно в целом в технологическом цикле могут находиться частично в высокоэластическом или в застеклованном состоянии. Прочность листов бумажно-картонных материалов определяется застеклованным состоянием волокна. Различные границы температурных переходов полимерных компонентов пластифицированных водой волокон из застеклованного в высокоэластическое состояние и обратно, что представляются достаточно эффективным средством управления свойствами бумаги и картона. Важно, что в образовании межфибриллярных связей участвует тот полимер, который находится на поверхности фибрилл, и именно его физическое состояние играет главную роль.
Изготовление и испытание лабораторных образцов тест-лайнера
Показатели качества лабораторных образцов определяли по стандартным методам: толщину образца по ГОСТ 27015-86; сопротивление продавливанию (П) по ГОСТ 13525.8-86; разрушающее усилие при сжатии кольца (RCT) по ГОСТ 10711-74; сопротивление плоскостному сжатию гофрированного образца (СМТ) по ГОСТ 20682 - 75; прочность на разрыв и удлинение при растяжении по ГОСТ 13525.1-79; впитываемость воды поверхностью бумаг или картона (метод Кобба) по ГОСТ 12605-97.
В лабораторных и опытно-промышленных условиях использовались клеи на основе димеров алкилкетена торговых марок «Гидрорес 364/VP» и «Гидрорес» 464/YP» компании «Кемира-Хим» (Финляндия) и клей на основе димеров алкилкетена под торговой маркой «Ультрасайз 200» компании «СКИФ» (Россия). Основные характеристики клеев даны в табл.2.4 и 2.5.
Одной из актуальных проблем в области переработки экономичного волокнистого сырья - макулатуры, как однозначно следует из обзора научных данных, остается улучшение комплекса бумагообразующих свойств волокна из макулатуры. Наиболее важно развитие потенциала свойств волокна, которые определяют механическую прочность вторичного волокна, при приемлемом его удельном расходе на производство тест-лайнера, как одного из основных конструкционных элементов гофрированного картона.
Требования к качеству тест-лайнера устанавливаются ГОСТ 7420-79 и ТУ предприятий. В табл. 3.1 приводятся показатели и их нормы по ТУ 5441-004-10578065-2004, действующими в качестве стандарта предприятия Сухонского ЦБК и характеризующими качество картонов тест-лайнеров. В табл. 3.1 приведены также значения двух основных показателей по ГОСТ 7420-89 для крафт-лайнеров, изготовленных из первичного волокна (обозначены значком ). Сравнивая показатели тест-лайнера и крафт-лайнера, можно видеть, что первые на 20-30% уступают картону К-1 и на 30-55% К-0. В то же время, современный рынок картонов-лайнеров пересыщен менее качественными марками картонов, произведенными из макулатуры. Очевидно, что задача повышения качества картона с использованием макулатуры до уровня показателей крафт-лайнеров, столь же актуальна, как и проблематична.
Причин снижения бумагообразующих свойств вторичного волокна много, но главными, все, же остаются, отрицательное влияние предыдущих технологических циклов производства и неуправляемость смеси поступающей макулатуры по свойствам волокна, в пределах существующих групп и марок. По существу, технология всегда получает новую непредсказуемую композицию волокон разнообразного диапазона видов и свойств. И характерной особенностью макулатуры остается прогрессирующее снижение качества производимого из нее волокна. Такая закономерность влечет за собой снижение эффективности уже достигнутых результатов, как по работе технологического оборудования, организации основных процессов, так и по применению химических функциональных средств.
Анализ современных технологических решений по производству тест-лайнера дает основание говорить о еще не достаточном использовании потенциала бумагообразующих свойств вторичного волокна из макулатуры. Экономичность и доступность макулатуры в сочетании с новыми технологическими приемами подготовки бумажной массы, которым посвящены диссертационные исследования, позволяют существенно лучше использовать потенциал вторичного волокна, клея и крахмала. И это, в свою очередь, позволяет показатели тест-лайнера вплотную приблизить к значениям крафт-лайнера, а то и достичь их.
Возможность существенно повысить качество тест-лайнера усматривается в использовании разделения макулатуры МС-5Б на сорта, новой схемы фракционирования композиций массы из различных сортов макулатуры, раздельной обработки фракций катионным клеем и крахмалом с последующим составлением композиций бумажной массы.
Следует указать, что практически повсеместно применяемая проклейка тест-лайнера катионными клеями на основе димера алкилкетена имеет существенный недостаток - требует длительного созревания и часто сопряжена с проблемой стабильности во времени. Поэтому в реализуемой концепции, исследованиям проклейки катионным димером алкилкетена уделено необходимое внимание.
Исследование влияния фракционирования на качество композиций бумажной массы для производства тест-лайнера
Распределение массы на фракции по длине волокна, наряду с длиной волокна, оказывает определяющее влияние на качество бумажной массы, бумаги и картона, работу технологического оборудования. В литературном обзоре приведены множественные данные, подтверждающие высокую значимость фракционирования для повышения экономической эффективности производства и качества продукции в современной технологии [65, 58-59].
В промышленных условиях преимущественно используются машины, в которых фракционирование выполняется на ситах. Важно было изучить этот процесс на подобном оборудовании. Поэтому в исследованиях применялся фракционатор ФДМ.
Задачей данных исследований было - установление эффективности фракционирования для улучшения качества композиций бумажной массы из макулатуры при новых вариантах ее подготовки, а именно, включение в процесс стадии размола ДВФ до 25 и 35 ШР [142,144-146].
В экспериментах использовалась макулатура МС-5Б. Для исследований была выбрана одна из композиций, разработанных в предыдущих исследованиях, табл. 3.2, с содержанием сортов макулатуры МС-5Б, %: 1-Ю; 1/2 - 40; 2-Ю; 3- 40. Качество массы (исходная масса), было следующим: рН - 6,4; степень помола - 24 ШР; длина волокна, дцг/мм - 75,3/1,66; содержание минеральных веществ - 2,8%; водоотдача-20,1 с.
Из композиции на лабораторном оборудовании готовилась волокнистая масса (15 г. по а.с.в.): замачивание на 40 мин.; роспуск в ГРВ ЛГ-03 и фракционирование массы: Ступень 1. После гидроразбивателя масса фракционировалась на 4 фракции: длинноволокнистая (ДВФ), средневолокнистая (СВФ), коротковолокнистая (КВФ), фракция мелкого волокна, проходящая через сито № 40, собиралась и учитывалась. Ступень 2. ДВФ с 1 ступени размалывалась до степени помола 25 1ПР и снова фракционировалась на те же 4 фракции. Ступень 2 ДВФ с 1 ступени размалывалась до степени помола 35 ШР и фракционировалась на 4 фракции. Для исследований использовалась масса: после гидроразбивателя (исходная); ДВФ после 1 ступени; ДВФ после 2 ступени; КВФ - композиция СВФ и КВФ после 2 ступени (размол 25 и 35 ШР), фракция мелочи (ФМ). Общая схема получения композиций из фракций короткого и длинного волокна, путем сочетания фракционирования и размола массы из макулатуры, представлена на рис. 3.2. Новыми аспектами данной схемы получения композиций массы из макулатуры являются: размол только ДВФ, по одному варианту, до 25 ШР и ее фракционирование, а по другому варианту до 35 ШР и также фракционирование; объединение СВФ и КВФ после обеих стадий фракционирования в одну фракцию, которая в экспериментах являлась КВФ. Все варианты фракций массы, а также варианты композиций массы из фракций, исследовались по основным показателям: степень помола, длина волокна и водоотдача. Определялись также рН, - потенциал, катионная потребность, мутность и концентрация крахмала в подсеточной воде (фильтрате). Распределение массовых долей фракций массы по длине волокна и массовой доли золы по фракциям, полученных по новой схеме подготовки массы для производства тест-лайнера представлены в табл. 3.9, а в табл. 3.10 показаны длины волокна, изучаемых фракций. Как видно из табл. 3.9, исходная масса на фракции разделилась следующим образом: фракция длинного волокна (ДВФ) - 59,6%; фракция волокна средней длины (СВФ) - 9,3%; фракция короткого волокна (КВФ) - 3,4%; фракция мелкого волокна (МФ) - 27,7%. Характерными особенностями исходной массы, судя по долям полученных фракций, можно считать - сравнительно большое содержание ДВФ, примерно 60% (59,6) со средней длиной волокна около 2 мм (1,91; 2,02; 2,38 мм, в зависимости от метода определения); большое содержание мелкого волокна - 27,7%; низкое содержание КВФ (3,4%) и СВФ (9,3%), которая однозначно должна отделяться от массы, во избежание ее потери при отливе тест-лайнера на машине. Характеристики полученных фракций: СВФ - средняя длина волокна около 1 мм и массовая доля ее около 10 %; КВФ - малая длина волокна (0,5-0,7 мм) и низкое содержание в массе (3,4 %), позволяет эти фракции объединить с ФМ (27,7 % и длина волокна (0,09-0,16 мм), табл. ЗЛО) в единую фракцию, общей массой около 40 %. Учитывая особенности бумагообразующих свойств короткого волокна, всю фракцию в 40 %, следует отделять и использовать особенности свойств в более эффективных схемах составления композиций с ДВФ. Объединенная фракция в дальнейших исследованиях использовалась как КВФ. Данные о зольности и ее распределении в фракциях массы представлены в табл.3.9. Зольность макулатуры различна, но для разработанных сортов МС-5Б не должна превышать 7%. Как известно, зола - это анионный загрязнитель, влияние которого на все процессы технологии отрицательное, притом в достаточно заметной степени. В нефракционированной массе содержание золы было 2,8 %. Как видно из табл. 3.9, зола по фракциям распределилась таким образом, что в ФМ содержится наибольшая доля - 1,7 % после первой ступени фракционирования, в ДВФ - 1,0 % и далее в СВФ - 0,1 % и в КВФ - 0,03 %. После размола ДВФ до 25 и 35 ШР в ДВФ золы содержится 0,6 - 0,7 %. В ФМ - 0,3 %. Наблюдаемое распределение золы по фракциям, можно объяснить размерами частиц наполнителя, которые проходят сквозь сито вместе с КВФ. Большой остаток золы в ДВФ, видимо связан, с большей адсорбционной способностью длинного волокна. Экспериментальные данные показателей для нефракционированной массы, фракций массы по ступеням с размолом до 25 и 35 ШР приведены в табл.3.11 и на рис. 3.3, 3.4, 3.5 и 3.6 [143-144]. В них даны также экспериментально полученные значения -потенциала, катионной потребности, мутности подсеточной воды (фильтрата) и концентрации в ней крахмала.
