Содержание к диссертации
Введение
2. Литературный обзор 7
2.1. Эволюция формующих сеток БДМ 8
2.2. Классификация формующих сеток 10
2.3. Материал формующих сеток 14
2.4. Влияние конструкции формующей сетки БДМ на процессы формования бумажного полотна 18
2.5. Влияние конструкции формующей сетки на свойства бумажного полотна 25
2.6. Методология выбора формующей сетки 29
2.7 Методы оперативного контроля эффективности формующей сетки 34
2.8. Прогноз развития формующих сеток БДМ 35
2.9. Заключение к обзору литературы, цели и задачи исследования 37
3. Методическая часть 40
3.1. Сырье, материалы, использованные в исследовании 40
3.2.1.Методика изготовления образцов бумаги на промышленной БДМ 41
3.2.2. Методика изготовления образцов бумаги на листоотливном аппарате 41
3.3. Методики испытания бумаги 42
4. Экспериментальная часть 50
4.1. Влияние конструкции формующей сетки на процессы формования бумажного полотна 53
4.2. Влияние конструкции формующей сетки на структурно-механические свойства бумаги 57
4.3. Влияние конструкции формующей сетки на печатные свойства бумаги 66
4.4. Влияние основных свойств бумажной массы на структурно-механические свойства бумаги в условиях применения формующих сеток различной конструкции 84
4.5. Рекомендации по оптимизации выбора
формующей сетки для БДМ малой производительности 93
5. Выводы 104
6. Опытно-промышленная выработка 105
7. Список использованной литературы 108
- Влияние конструкции формующей сетки БДМ на процессы формования бумажного полотна
- Заключение к обзору литературы, цели и задачи исследования
- Методика изготовления образцов бумаги на листоотливном аппарате
- Влияние конструкции формующей сетки на структурно-механические свойства бумаги
Введение к работе
Мировая целлюлозно-бумажная промышленность развивается быстрыми темпами. К началу 21 века объём мирового производства различных видов бумаги превысил 325 миллионов тонн, при величине её душевого потребления в среднем по миру свыше 50 кг в год. По прогнозам ФАО ООН к 2050 году объём производства превысит 450 миллионов тонн в год [1].
По словам министра финансов Российской Федерации Кудрина в 2007 году ожидается вступление России в Всемирную Торговую Организацию (ВТО). Для российской ЦБП это станет серьёзным испытанием, так как приведёт к усилению конкуренции на российском рынке целлюлозно-бумажной продукции, особенно в сегменте высокотехнологичной продукции.
В этой связи качество выпускаемой продукции приобретает исключительное значение.
В последние годы, ключевую роль в качестве бумаги, играет возможность её адаптации к изменяющимся условиям процессов переработки и потребления. Вследствие этого, значимость мероприятий, направленных на улучшение качества бумаги: структуры и потребительских характеристик - сложно переоценить.
Формование бумажного полотна являются одним из ключевых этапов изготовления бумаги.
С точки зрения улучшения качества формования, совершенствование конструкции формующих сеток БДМ и КДМ является перспективным. Оптимизация структуры формующих сеток дает возможность более эффективно использовать потенциал волокнистого полуфабриката, созданный в процессе его изготовления и химико-механической обработки. Полнота использования данного потенциала определяется оборудованием, участвующим в процессе формования. Последствия процессов, происходящих при формовании бумажного полотна, являются, как правило, не обратимыми.
Совершенствование конструкции формующей сетки позволяет стабилизировать технологический процесс, улучшить качество бумаги, повысить производительность БДМ, снизить издержки её производства.
Несмотря на значимость, вопросы взаимодействия бумажной массы и формующей сетки, к сожалению, не нашли достаточного освещения в литературе.
Одной из основных проблем, при конструировании и внедрении формующих сеток, является прогнозирование эффективности использования сетки в условиях промышленной БДМ.
В странах развитой ЦБП большая часть продукции производится с использованием оборудования высокой производительности.
Анализ структуры парка БДМ и КДМ на предприятиях России показывает [2]: количество высокоскоростных БДМ в российской ЦБП за последние годы не увеличилось. С другой стороны, количество тихоходных БДМ несколько возросло за счёт приобретения частными предпринимателями за рубежом машин бывших в эксплуатации.
При этом, мировая практика показывает, что значительная доля наукоемких видов бумаги производится с использованием БДМ малой производительности.
Из сказанного следует, что в настоящее время сегмент БДМ малой производительности приобретает важнейшее значение для российской ЦБП.
При этом, проблема выбора формующих сеток для БДМ малой производительности продолжительное время остаётся без должного внимания.
Целью данной работы является исследование влияния конструкции формующей сетки на свойства бумаги изготавливаемой в условиях низкоскоростных БДМ.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
выявить закономерности влияния конструкции формующей сетки на процессы формования бумажного полотна;
выявить закономерности влияния конструкции формующей сетки на структурно-механические свойства бумаги в зависимости от изменения основных свойств бумажной массы (фракционного состава, степени помола, концентрации и температуры бумажной массы);
выявить закономерности влияния конструкции формующей сетки на печатные свойства бумаги;
на основе полученных результатов исследований разработать рекомендации по выбору формующей сетки способствующей изготовлению бумажного полотна улучшенного качества в условиях низкоскоростных БДМ.
В первой части работы представлены литературные данные по эволюции конструкций формующих сеток в 20 веке. Описаны различные виды материалов используемых для производства формующих сеток. Представлена классификация наиболее часто используемых конструкций формующих сеток. Кратко описаны основные процессы формования бумажного полотна. Отмечены некоторые практические наблюдения по влиянию конструкции формующей сетки на структурно-механические и печатные свойства бумаги. Отражены последние разработки в области оперативного контроля эффективности эксплуатации формующей сетки. Представлены тенденции развития конструкции формующих сеток.
В заключении обзора, сформулированы основные тенденции развития формующих сеток, определены основные направления для научных
исследований, позволяющие оптимизировать и обосновать их практическое использование.
Во второй части диссертации приведены методы исследования, которые применяли в экспериментальной работе. Представлено обоснование выбора для эксперимента различных видов формующих сеток, основанное на сочетании показателей поддержки волокна и воздухопроницаемости сеточного полотна. Описаны сырьё и химикаты, которые нашли применение при изготовлении образцов бумаги. Представлена методика изготовления бумаги на листоотливном аппарате.
В работе использованы стандартные методики и лабораторное оборудование, принятые для исследования бумагообразующих свойств волокнистой массы, структурно-механических и печатных свойств бумаги. В частности для исследования печатных свойств бумаги использовались приборы: «Prufbau», «Ambertek», Parker Print Surf, «IGT» и ряд других.
В третьей части работы приведены результаты исследования по влиянию конструкции формующей сетки на процессы формования бумажного полотна, структурно-механические и печатные свойства бумаги.
Выявлены закономерности влияния конструкции формующей сетки на структурно-механические свойства бумаги. При увеличении показателя поддержки волокна и снижении воздухопроницаемости формующей сетки отмечено улучшение качества формования, увеличение плотности, снижение пухлости бумаги, повышение статической механической прочности (разрывной длины бумаги) и снижение динамической механической прочности бумаги (сопротивления раздиранию).
Выявлены закономерности влияния конструкции формующей сетки на печатные свойства бумаги. Результаты эксперимента но определению печатных свойств бумаги в процессе нанесения офсетной печати показали, что при увеличении показателя поддержки волокна и снижение показателя воздухопроницаемости формующей сетки отмечено улучшение печатного лоска бумаги, повышение равномерности печати и микрошероховатости её верхней стороны. При этом определено ухудшение красковосприятия, снижение прочности поверхности бумажного полотна в сухом и влажном состоянии, равномерности печати и микрошероховатости сеточной стороны, усиление двусторонности бумаги.
Исследования влияния конструкции формующей сетки на качество цифровой печати показали, что при использовании формующей сетки с повышенным значением показателя поддержки волокна и малой воздухопроницаемостью возрастает оптическая плотность оттиска, наблюдается снижение «усения» печатных линий, а также уменьшение «смешения» печатных линий при нанесении одного слоя краски на другой.
Выявлены закономерности влияния конструкции формующей сетки на структурно-механические свойства бумаги при изменении основных свойств бумажной массы (фракционного состава и степени помола, концентрации и
температуры бумажной массы, средневзвешенной длины волокнистых компонентов). Определено, что применение формующей сетки с повышенным значением показателя поддержки волокна и сниженным значением воздухопроницаемости приводит к снижению скорости обезвоживания бумажной массы с малым и средним содержанием коротковолокнистой фракции. При использовании бумажной массы с высоким содержанием коротковолокнистой фракции скорость обезвоживания не изменяется.
При вышеуказанных изменениях конструкции формующей сетки также наблюдается значительное повышение удержания компонентов бумажной массы на сетке при использовании массы с высоким содержанием коротковолокнистой фракции. При использовании бумажной массы с малым содержанием коротковолокнистой фракции удержание компонентов бумажной массы изменяется не значительно.
Показано, что основные свойства бумажной массы (степень помола бумажной массы, концентрации суспензии в напорном ящике и её температура) оказывают более значительное влияние на свойства бумаги, чем конструкция формующей сетки. Отмечено, что при повышении степени помола, концентрации и температуры бумажной массы разность значений показателей плотности, разрывной длины, сопротивления раздиранию, жёсткости и линейной деформации при увлажнении, для бумаги изготовленной на однослойной, двухслойной и двухслойной с дополнительным утком формующих сетках, снижается.
Использование данных рекомендаций позволило осуществить выбор формующей сетки на предприятии ООО «Экологические технологии» при изготовлении бумаги-основы для гофрирования. Это способствовало улучшению процесса формования бумажного полотна, а также снижению себестоимости изготовления бумаги увеличению прибыльности изготовления бумаги на 448,6 тысяч рублей в месяц. В приложении 1 представлены поставщики и современное состояние рынка формующих сеток БДМ.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.т.н., профессору Рощину В.И.; к.т.н., доценту Никандрову А.Б. за неоценимый вклад при подготовке данной работы и помощь при проведении исследований; Биричевскому А.Н. и Чернятьеву А.А. за консультации и помощь при проведении исследования; сотрудникам Санкт-Петербургской бумажной фабрики - филиала ФГУП «Гознак». Автор благодарит лаборатории Technical Service Center Paper/Testing and Printing Division фирмы Омиа (г. Офтринген, Швейцария) и Пермской печатной фабрики - филиала ФГУП «Гознак» за содействие и поддержку в проведении эксперимента.
2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Требования к формующим сеткам чрезвычайно разнообразны [3-16]. Основными являются: повышение стабильности размеров, увеличение сопротивления абразивному износу формующей сетки, снижение забивания ячеек, которые возникают при эксплуатации сетки на высокоскоростных БДМ и при использовании в композиции бумаги значительного количества вторичного волокнистого сырья и минерального наполнителя, также уделяется немаловажное значение. В настоящее время, основное внимание при исследованиях и разработках конструкции формующих сеток уделяется оптимизации процессов формования бумажного полотна: формования бумажного полотна, обезвоживания бумажной массы и удержания на сетке её компонентов, а также снижению маркировки. Целью производителей формующих сеток является повышение эффективности их эксплуатации путём перманентной адаптации конструкции к изменяющимся условиям изготовления бумажного полотна [17 - 29].
Формование бумажного полотна - одна из важнейших операций технологического процесса производства бумаги. Она заключается в образовании на поверхности формующей сетки трёхмерной волокнистой системы. На сетке создаётся комплекс состоящий из минеральных, волокнистых и других органических веществ, а через ячейки отделяется вода, с которой удаляется мелкое волокно, а также часть проклеивающих, красящих и наполняющих компонентов бумажной массы. Независимо от вида вырабатываемой бумаги, через сетку отводится 96,5-98,5 % воды. От характера обезвоживания на сетке во многом зависит структура бумажного полотна, так как при формовании создаются условия, определяющие свойства продукции [5].
Параметры эксплуатации БДМ и вид изготавливаемой продукции имеют достаточно широкий диапазон, что оказывает значительное влияние на выбор формующей сетки. Скорость сеточного полотна БДМ составляет от 50 до более 2000 м/мин, масса м2 бумаги - от 10 до нескольких сот грамм. Выбор формующей сетки зависят от ряда технологических факторов, из которых важнейшими являются: конструкция БДМ; различные свойства бумажной массы, факторы процесса формования; степень износа, маркирующая способность, а также стабильность сетки [30]. Структура формующей сетки оказывает более значительное влияние на свойства бумаги, чем прессовые сукна или сушильные сетки. В результате, конструирование формующей сетки требует специального рассмотрения и эксклюзивного проектирования [24].
Формующая сетка выполняет следующие основные функции: влияет на скорость удаления воды и удержание компонентов бумажной массы, транспортирует бумажное полотно из сеточной части в прессовую. Верхняя сторона формующей сетки оказывает значительное влияние на структурно-механические и печатные свойства бумаги. Нижняя сторона формующей сетки определяет её износостойкость [31].
По этой причине, нижняя сторона формующей сетки состоит из износостойких нитей большого диаметра (0,2 - 0,3 мм), а верхняя - из нитей малого диаметра (0,13 -0,17 мм) [14].
При создании «первичного» волокнистого слоя формующая сетка оказывает определяющее влияние на скорость обезвоживания водноволокнистой суспензии. По мере увеличения «первичного» волокнистого слоя, влияние формующей сетки на скорость обезвоживания бумажного полотна значительно снижается. При образовании «вторичного» волокнистого слоя, скорость удаления воды определяется вакуумом обезвоживающего оборудования [31].
В данной части работы представлены литературные данные по эволюции конструкций формующих сеток в 20 веке. Описаны различные виды материалов используемых для производства формующих сеток. Представлена классификация наиболее часто используемых конструкций формующих сеток. Кратко описаны основные процессы формования бумажного полотна. Отмечены некоторые практические наблюдения по влиянию конструкции формующей сетки на свойства бумаги. Отражены последние разработки в области оперативного контроля эффективности эксплуатации формующей сетки. Представлены тенденции развития конструкции формующих сеток.
В заключении обзора, сформулированы основные тенденции развития выбора формующих сеток, указано на достоинство и недостатки используемых факторов, влияющих на практический выбор сеток, определены основные направления для научных исследований, позволяющих оптимизировать и обосновать практическое их использование.
Влияние конструкции формующей сетки БДМ на процессы формования бумажного полотна
Формование бумажного полотна является результатом различных взаимодействий волокнистых и минеральных компонентов бумажной массы в сеточной части БДМ. Факторами, определяющими оптимальность указанного процесса, являются: конструкция формующей части БДМ, физико-коллоидно-химические свойства компонентов бумажной массы, факторы процесса формования, реологические свойства бумажной массы, конструкция формующей сетки [7].
Подробное описание влияния конструкции и технологических режимов эксплуатации формующей части БДМ (обезвоживающего оборудования, сеткотрясочного оборудования, эгутера), различных свойств компонентов бумажной массы (геометрических размеров и морфологических особенностей волокнистых компонентов; содержания воздуха в бумажной массе, водоудерживающей способности, электропроводности, электрокинетического потенциала, рН, щёлочности, напряжения сдвига, динамической вязкости, времени релаксации, микро- и макротурбулентности бумажной массы), а также факторов процесса формования бумажного полотна (температуры, концентрации бумажной массы; угла истечения и давления струи бумажной массы при выходе на сетку, соотношения скорости бумажной массы и формующей сетки) представлено в [3-10, 30, 59-99]. При формовании бумажного полотна, под действием усилий обезвоживания, волокнистые компоненты оседают друг на друга. В результате лист бумаги выглядит как наслоение волокон [35]. Формование бумажного полотна определяется связеобразованием волокнистых компонентов на поверхности формующей сетки. Это межволоконное взаимодействие оказывает позитивное влияние на удержание компонентов бумажной массы. Оптимальное межволоконное взаимодействие происходит на формующей сетке с квадратной формой ячеек [100]. Данная структура ячеек обеспечивает равномерное взаимодействие волокон.
Вопрос об оптимальном живом сечении сетки в зависимости от композиции и степени помола бумажной массы, скорости машины и т.п. до настоящего времени остаётся неизученным. Между тем структура ткани (диаметр, число нитей основы и утка, вид переплетения и толщина сетки) должна быть разная для одного и того же вида бумаги, изготавливаемого при различной скорости бумагоделательной машины [32].
При обезвоживании бумажного полотна основным является процесс фильтрации воды из волокнистой суспензии (бумажного полотна) через формующую сетку. Фильтрация - процесс, при котором вода удаляется из волокнистой суспензии; волокна осаждаются на сетке и сцепляются друг с другом, формируя плотное волокнистое полотно. При фильтрации создаётся чётко видимая поверхность между уже сформированным на сетке волокнистым полотном и жидкой суспензией над ним.
На БДМ вода удаляется из бумажного полотна посредством фильтрации её через формующую сетку при воздействии обезвоживающего оборудования. В начале фильтрации суспензии, первоначальный слой волокнистой массы быстро образуется на поверхности сеточного полотна и далее является фильтрующим слоем. По мере окончательного формирования «первичного» волокнистого слоя, интенсивность влияния формующей сетки на процесс обезвоживания бумажной массы снижается. Формование толстого бумажного слоя на поверхности сетки прекращает «свободное» истекание воды из бумажного полотна. С целью изготовления бумажного полотна равномерной структуры, на высокоскоростных БДМ (свыше 800 м/мин) стремятся замедлить процесс обезвоживания бумажной массы в начале сеточного стола. Для этого подбирают обезвоживающие элементы БДМ таким образом, чтобы они оказывали небольшое деструктирующее воздействие на бумажное полотно в процессе формования, препятствуя забиванию ячеек сетки. Это способствует получению бумажного полотна повышенной сухости и равномерной структуры [35].
При производстве бумаги в условиях низкоскоростной БДМ (менее 300 м/мин) процесс обезвоживания бумажной массы в начале сеточного стола, наоборот, стараются ускорить, устанавливая регистровые валики и отсасывающие ящики.
Данный факт отражает принципиальное отличие обезвоживания бумажной массы, как одного из ключевых в процессе формования, в условиях БДМ различной скорости. Основная сила фильтрационного процесса - это перепад давления между верхней и нижней поверхностями сетки. Он создаётся столбом жидкости и вакуумом обезвоживающего оборудования на плоскосеточных и механическим давлением на двухсеточных БДМ. Фильтрация является механическим процессом, несмотря на использование химических реагентов, так как последние оказывают влияние только на поведение фильтруемых частиц, а не на фильтрационный процесс в целом [31]. Формующие сетки имеют различную конструкцию: пространственную структуру, размер каналов обезвоживания и их взаимное распределение. На основе испытаний в производственных условиях с использованием высокоскоростных БДМ определено, что трёхслойная формующая сетка способствует быстрому обезвоживанию бумажной суспензии в начале сеточного стола. Однако, в дальнейшем процесс обезвоживания бумажной массы замедляется, что вызвано забиванием ячеек сетки. Забивание ускоряется под действием вакуума. Однако, при воздействии достаточно высокого вакуума скорость обезвоживания возможно восстановить. В отличие от трёхслойной сетки, двухслойная сетка сохраняет бумажное полотно более «открытым», что приводит к получению бумажного полотна повышенной сухости [34]. При применении «уточной» формующей сетки её воздухопроницаемость в момент образования «первичного» волокнистого слоя сохраняется в большей степени, чем при «основной» (табл. 1, [101]). Это обусловлено более быстрым забиванием ячеек сетки волокнами при использовании «основной» формующей сетки. По мере повышения массы м2 бумажного полотна разность между значениями показателя воздухопроницаемости для «уточной» и «основной» формующих сеток снижается.
Заключение к обзору литературы, цели и задачи исследования
Формование бумажного полотна является сложным процессом, на эффективность которого оказывают влияние многие факторы.
В процессе изготовления бумажного полотна, формующая сетка выполняет фильтрующую, поддерживающую и транспортирующую функции. Выступая в качестве полупроницаемой перегородки при обезвоживании волокнистой суспензии, сетка активно «воздействует» на процессы образования макроструктуры бумажного полотна: формование, обезвоживание и удержание компонентов волокнистой массы и наполнителя, а также структурно-механические и печатные свойства бумаги.
За последние полвека произошли значительные изменения состава материала и конструкции формующих сеток, что существенным образом повлияло на вид и характер взаимодействий происходящих в сеточной части БДМ.
В качестве материалов для изготовления формующих сеток, взамен традиционных сплавов фосфористой бронзы, стали применяться новые синтетические композиты на основе полиэфирных и полиамидных материалов. Ведутся активные изыскания в области синтезирования новых материалов, которые будут способствовать изготовлению сетки с малой склонностью к удлинению, высокой механической прочностью и жёсткостью в продольном и поперечном состоянии, малой износостойкостью, а также низкой склонностью к адсорбированию различного рода загрязнений.
Достигнут значительный прогресс в конструкции формующих сеток, благодаря чему стал возможен массовый переход от использования однослойных к применению многослойных структур, что способствовало увеличению срока их эксплуатации, улучшению качества продукции Й повышению эффективности применения сеток в условиях БДМ высокой производительности.
Совершенствование методов исследования структуры формующей сетки и прогнозирование её влияния на качество бумаги позволило создать систему мониторинга эффективности эксплуатации сетки на бумагоделательной машине. Ведётся активный поиск новых и развитие существующих оперативных методов контроля эффективности эксплуатации формующих сеток в условиях БДМ посредством использования компьютерных моделей. Основная цель развития данных методов - прогнозирование эффективности использования бумаги, произведённой на формующих сетках различной конструкции, при обработке и переработке. С развитием полиграфии и других перерабатывающих отраслей предъявляются более строгие требования к качеству бумаги - как к полуфабрикату для процессов обработки и переработки в изделие. В последние десятилетия на рынках целлюлозно-бумажных товаров существенное значение приобрели следующие тенденции развития бумажной промышленности: увеличение производительности БДМ, повышение содержания в композиции относительно дешёвых компонентов -минерального наполнителя и механической древесной и макулатурной массы, усиление внимания к стабильности показателей качества бумаги и удержанию компонентов бумажного полотна на сеточном столе. Совершенствование новых методов, таких как цифровая печать, повышает требования к качеству бумаги с точки зрения качества формования, гладкости, сжимаемости, а также способности воспринимать новые виды краски. Данные обстоятельства обусловливают существенную роль формующей сетки как одного из важных участников процесса формования бумажного полотна и получения бумаги необходимого качества. Усиление конкуренции в странах развитой экономики, прогнозируемый кризис перепроизводства в Китае и вступление России в ВТО повлечёт за собой усиление конкуренции на российском рынке целлюлозно-бумажной продукции. В данной ситуации, качество выпускаемой продукции производства становятся доминантным фактором в конкурентной борьбе. В усложняющихся условиях изготовления бумаги, особое значение приобретает возможность осуществить оптимальный выбор формующей сетки для производства определённого вида бумаги в условиях конкретной БДМ. Это позволит повысить качество продукции, минимизировать риск производства бумаги неудовлетворительного и/или нестабильного качества, а также превышения себестоимости. Показано, что процессы формования бумажного полотна имеют существенное отличие в условиях применения БДМ различной скорости. В странах развитой ЦБП большая часть продукции производится с использованием оборудования высокой производительности. Вследствие этого, поставщики одежды БДМ ориентируются на наиболее развитый сектор промышленности. Анализ литературных источников показал, что присутствует немногочисленная информация по влиянию конструкции формующих сеток на процессы формования бумажного полотна и свойства бумаги, изготовленной с использованием высокопроизводительных бумагоделательных машин. Анализ структуры парка БДМ и КДМ на предприятиях России показывает: количество высокоскоростных БДМ в российской ЦБП за последние годы не увеличилось, а количество тихоходных БДМ несколько возросло за счёт приобретения за рубежом машин бывших в эксплуатации. При этом, мировая практика показывает, что значительная часть ассортимента наукоемких видов бумаги производится с использованием БДМ малой производительности. Из сказанного следует, что в настоящее время сегмент БДМ малой производительности приобретает важнейшее значение для российской ЦБП. При этом, выбор формующих сеток для БДМ малой производительности продолжительное время остаётся без должного внимания, т.к. не найдено литературных источников в которых представлена информация по данному вопросу. Цели и задачи исследования Целью данной работы является исследование влияния конструкции формующей сетки на свойства бумаги изготавливаемой в условиях низкоскоростных БДМ. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: выявить закономерности влияния конструкции формующей сетки на процессы формования бумажного полотна; выявить закономерности влияния конструкции формующей сетки на структурно-механические свойства бумаги в зависимости от изменения основных свойств бумажной массы (фракционного состава, степени помола, концентрации и температуры бумажной массы); выявить закономерности влияния конструкции формующей сетки на печатные свойства бумаги; на основе полученных результатов исследований разработать рекомендации по выбору формующей сетки способствующей изготовлению бумажного полотна улучшенного качества в условиях низкоскоростных БДМ.
Методика изготовления образцов бумаги на листоотливном аппарате
При определении влияния степени помола, концентрации и температуры бумажной массы на свойства бумаги, а также влияния фракционного состава на удержание компонентов бумажной массы и скорость обезвоживания бумажного полотна использовали образцы, полученные в лабораторных условиях.
Полуфабрикаты подвергали разволокнению в лабораторном дезинтеграторе при концентрации 1,5 % в течении 10 мин. Размол волокнистой массы до необходимой степени помола проводили в лабораторной мельнице ЦРА при скорости 150 об/мин. Контроль за процессом размола осуществляли на аппарате для определения степени помола типа СР-2 и аппарате Иванова для определения длины волокна. Далее на листоотливном аппарате типа Рапид-Кетен, при постоянных условиях отлива, прессования и сушки изготавливали образцы бумаги необходимой массы (80 г/м2 с допустимыми отклонениями +- 5%). Концентрация волокнистой массы до разбавления составляла 0,6 - 0,9 % в зависимости от условий эксперимента. При изготовлении образцов, в качестве листообразующих, использовали сетки № 28, № 60 и № 66. Прессование осуществлялось отжимным валиком. Сушка образцов бумаги проводилась при температуре 120-125 С в течении 5-7 мин. Отливки кондиционировали при относительной влажности 50 +- 2% и температуре 23+-1С в течении 2 часов по ГОСТ 13523. После этого, при вышеуказанных климатических условиях, определяли свойства бумаги.
Для эксперимента по влиянию степени помола бумажной массы и факторов процесса формования бумажного полотна (концентрация массы, температура массы) на структурно-механические свойства были изготовлены образцы бумаги массой 80 г/м". Композиция бумаги состояла на 80 % из лиственной сульфатной целлюлозы и на 20 % из хвойной сульфатной целлюлозы. В её состав также входили клей на основе алкилкетендимеров в количестве 0,8 % к массе абсолютно сухого волокна (а.с.в.), крахмал катионный в количестве 0,7 % к массе а.с.в., мел природный в количестве 16 % к массе а.с.в.
Для эксперимента по влиянию фракционного состава бумажной массы на процессы формования бумажного полотна: обезвоживание и удержание использовалась волокнистая масса следующей композиции: для образцов 1 и 2 состояла на 70 % из лиственной сульфатной целлюлозы и на 30 % из хвойной сульфатной целлюлозы, для образца 3 на 100 % состояла из вторичного волокнистого сырья марки МС - 8В.
Полуфабрикаты подвергали разволокнению в лабораторном дезинтеграторе при концентрации 1,5 % в течении 10 мин. Размол волокнистой массы до необходимой степени помола проводили в лабораторной мельнице ЦРА при скорости 150 об/мин. Для образца 1 время обработки составило 20 минут, для образца 2-40 минут. Образец 3 был только обработан в дезинтеграторе в течении 10 минут. Контроль за процессом размола осуществляли на аппарате для определения степени помола типа СР-2 и аппарате Иванова для определения длины волокна. Для определения свойств бумаги применяли следующие методики: Массу 1 м2 бумаги определяли согласно ГОСТ 13199
Разрывную длину бумаги в машинном и поперечном направлении определяли согласно ГОСТ Р ИСО 1924-1-96 Поверхностную впитываемость воды при одностороннем смачивании бумаги по методу Кобба (за 60 секунд) определяли согласно ГОСТ 12605-97 Белизну бумаги определяли согласно ГОСТ 30113-94 Гладкость бумаги определяли согласно ГОСТ 12795 Стойкость поверхности бумаги к выщипыванию по ГОСТ 24356 Массовую доля золы определяли согласно ГОСТ 7629 Влажность бумаги определяли согласно ГОСТ 13525.19 Линейная деформация бумаги при увлажнении по ГОСТ 12057.1 Разрушающее усилие бумаги определяли согласно ГОСТ Р ИСО 1924-1-96
Плотность, толщина бумаги определяли согласно ГОСТ 27015-86 Степень помола бумажной массы определяли согласно ГОСТ 14262.4-79 Жёсткость бумаги определяли согласно ГОСТ 9582-75 Сопротивление бумаги раздиранию определяли согласно ГОСТ 13525.3-97 Температуру волокнистой массы определяли посредством термометра. Скорость обезвоживания бумажной массы определяли посредством измерения времени обезвоживания бумажной массы на листоотливном аппарате до просасывания воздуха (до появления характерного шипения). Длину волокна бумажной массы определяли на приборе Иванова согласно общепринятой методики
Концентрацию массы в напорном ящике, концентрацию подсеточной воды, удержание волокна и наполнителя определяли согласно общепринятым методикам. Фракционный состав волокнистой массы определяли посредством анализатора длины волокна Kajaani FS-200 (производство фирмы Kajaani Оу, Финляндия). Измерение данной характеристики направлено на получение информации о распределении волокнистых компонентов бумажной массы по длине. При сопоставлении со значением степени помола бумажной массы, данная характеристика позволяет судить о способности бумажной массы оказывать влияние на структурно-механические и печатные свойства бумаги. Принцип действия прибора основан на пропускании волокнистых компонентов по капилляру через оптическое устройство испускающее излучение определённой (эталонной) мощности и сравнении мощности сигнала воспринятого детектором, расположенным за проекцией волокна, с ранее установленным эталоном. Результатом анализа является распределение компонентов волокнистой массы по длине представленное автором в виде графика (рис. 1).
Влияние конструкции формующей сетки на структурно-механические свойства бумаги
Изучено влияние конструкции формующей сетки на показатели механической прочности бумаги: разрывную длину, сопротивление раздиранию и жёсткость. Установлено (рис. 4), что разрывная длина бумаги, полученной с использованием двухслойной формующей сетки, выше значения данного показателя для бумаги, изготовленной на однослойной сетке, на 6 %. При производстве бумаги на двухслойной формующей сетке с дополнительным утком значение показателя разрывной длины превышает аналогичный показатель бумаги, сформованной на однослойной сетке, на 16 %. Как известно из работ Д.М. Фляте, основными факторами, оказывающими влияние на значение показателя разрывной длины бумаги, являются интенсивность взаимодействия волокнистых компонентов бумаги и их длина. Следует предположить, что при обезвоживании бумажного полотна в зависимости от диаметра нитей основы и утка, расположенных на поверхности сетки, и усилий обезвоживания формуется бумажное полотно различной толщины. Вследствие этого различия, интенсивность взаимодействия компонентов бумажной массы между собой также отличается: по мере увеличения расстояния между ними силы межволоконного взаимодействия ослабляются. По-видимому, при производстве бумаги на формующих сетках с более высоким значением показателя поддержки волокна, вследствие формирования более плотного бумажного полотна, интенсивность взаимодействия между волокнистыми компонентами возрастает, что приводит к изготовлению бумаги с более высоким значением показателя разрывной длины бумаги. Вероятно, формующая сетка, состоящая из большого количества нитей основы и утка малого диаметра, создаёт условия для оптимального сближения волокнистых компонентов бумажной массы и их последующего взаимодействия вследствие влияния межволоконных сил. Ионные силы и силы межмолекулярного взаимодействия [2] волокнистых компонентов изменяются в зависимости от расстояния между частицами. Известно, ионные силы возрастают очень быстро в зависимости от расстояния в соответствии с экспоненциальным законом, а силы межмолекулярного взаимодействия увеличиваются приблизительно обратно пропорционально расстоянию в седьмой степени. Можно предположить, что при сближении волокнистых компонентов, система [3] консолидируется и без непосредственного контакта между частицами фиксируется в энергетических «ямах», т.е. на расстоянии друг от друга, соответствующем положению минимума на результирующей потенциальной кривой взаимодействия частиц.
При исследовании влияния конструкции формующей сетки на показатель сопротивления бумаги раздиранию. Выявлено, что значение данного показателя снижается при использовании формующей сетки с более высоким значением показателя поддержки волокна. При изготовлении бумаги на однослойной формующей сетке получена бумага с наиболее высоким сопротивлением раздиранию, значение данного показателя для бумаги, изготовленной на двухслойной и двухслойной с дополнительным утком формующей сетке, ниже на 3 и 9 % соответственно (рис. 5). Согласно Д.М. Фляте основными факторами, определяющими величину данного показателя, являются интенсивность взаимодействия волокнистых компонентов, определяемых водородными связями, и толщина бумажного полотна. Известно, что увеличение интенсивности взаимодействия компонентов снижает величину показателя сопротивления раздиранию, а повышение толщины бумаги - увеличивает. Вероятно, в проведённом эксперименте толщина бумаги оказывает более значительное воздействие на показатель сопротивления бумаги раздиранию в сравнении с интенсивностью межволоконных взаимодействий.
Аналогичная зависимость наблюдается при влиянии конструкции формующей сетки на жёсткость бумаги. При изготовлении бумаги с использованием формующей сетки с более высоким значением показателя поддержки волокна жёсткость бумаги снижается. Как следует из эксперимента значение показателя жёсткости бумаги, изготовленной с использованием однослойной формующей сетки превосходит значение аналогичных показателей бумаги, произведённой на двухслойной и двухслойной с дополнительным утком сетках, на 10 и 12 % соответственно (рис. 6). Предполагается, что повышение данного показателя вызвано увеличением толщины бумаги и, вследствие этого, максимальное значение зафиксировано для бумаги, произведённой на однослойной сетке.
Аналогичная зависимость наблюдается при исследовании линейной деформации бумаги при увлажнении. Линейная деформация бумаги, произведённой на однослойной сетке ниже, чем бумаги, изготовленной на двухслойной и двухслойной с дополнительным утком сетках, на 11 и 16 % соответственно (рис. 7). Возможно, это обусловлено более высокой пухлостью бумаги изготовленной с использованием однослойной сетки. Линейная деформация бумаги возникает при взаимодействии волокнистых компонентов бумаги и воды. При взаимодействии с водой, волокнистые компоненты бумаги, вследствие высокой гигроскопичности, впитывают воду и увеличиваются. При этом, существование пустот в пухлой структуре бумаги, произведенной на однослойной формующей сетке, вероятно, позволяет волокнам как расширяться, так и занимать пустоты внутри бумажного листа с меньшим изменением его геометрических размеров. Волокнистые компоненты бумаги, изготовленной на двухслойной и двухслойной с дополнительным утком формующих сетках, по-видимому, в меньшей степени расширяются в толщу листа бумаги, вследствие отсутствия достаточного пространства и увеличиваются в сторону внешней границы листа бумаги. Эксперимент показал, что применение формующей сетки с более высоким значением показателя поддержки волокна способствует изготовлению бумаги с малым значением деформации при увлажнении.
Практические наблюдения показали, что, при снижении значения показателя воздухопроницаемости и повышении значения показателя поддержки волокна формующей сетки, скорость обезвоживания бумажного полотна снижается.
Данное обстоятельство сопровождается перемещением положения «линии сухости» на сеточном столе БДМ в сторону гауч-вала. При этом, качество формования бумажного полотна, определяемое визуально, значительно снижается. При передаче с сеточной в прессовую часть бумажное полотно имеет низкую степень сухости, обрывность, и подверженность «дроблению» (необратимому изменению структуры). Кроме того, изменение положения «линии сухости» ведёт к снижению гибкости процесса формования бумажного полотна. С целью преодоления указанных проблем в практике осуществляют интенсификацию обезвоживания посредством повышения температуры бумажного полотна и снижения концентрации бумажной массы в напорном ящике. После восстановления положения «линии сухости» было определено удержание компонентов бумажного полотна. Из результатов работы следует, что удержание компонентов бумажного полотна и концентрация подсеточнои воды на формующих сетках различной конструкции (однослойной, двухслойной, двухслойной с дополнительным утком) не имеет значительных отличий (рис. 8- 10).
