автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Формирование межволоконных связей в процессе обезвоживания бумажного полотна

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

СМИРНОВА Екатерина Григорьевна

ФОРМИРОВАНИЕ МЕЖВОЛОКОННЫХ СВЯЗЕЙ В ПРОЦЕССЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ БУМАЖНОГО ПОЛОТНА

05, 21,03 - Технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины

На правах рукописи

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель

кандидат технических наук

доцент А. С. СМОЛИН

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ . ........................................ 4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ,.,.................... 7

1. 1. Волокнистое сырье, применяемое в производстве

бумаги, Некоторые Физические и химические

свойства, влияющие на прочность бумаги ...... ..... 7

1. 2. Формирование прочности бумажного полотна в процессе прохождения его по секциям бумагоделательной машины............................... 10

1.2. 1. Прочность волокнистых гидросуспензий ....... 10

1. 2. 2. Прочность влажной бумаги . ,, ................ 14

1. 2, 3. Прочность сухой бумаги......— • • ........... 17

1. 3. Физико-химические характеристики вспомогатель-

ных вешеств, применяемых в производстве бумаги

и их влияние на прочность бумаги .........................19

заключение 28

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТ Ь................... 32

2. 1. Образцы целлюлозы и химические вспомогатель-

ные вешества ..................................... 32

2.2. Методика определения прочности суспензии

целлюлозы........................................ 32

2.3. Методика определения прочности влажного

бумажного полотна с сухостью от б до 40 х ......... 36

2. 4. Методика определения прочности влажной бумаги

на разрывной машине с сухостью от 50 до 94/....... 37

2. 5. Методика определения равномерности просвета

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ,,,,..,, 41 3. 1. Характеристика механической прочности различных

видов целлюлозы.................................. 41

3.2.Изменение прочности бумаги в процессе обезвоживания в зависимости от вида

целлюлозы и степени помола ....................... 44

3. 2. 1. Прочность волокнистых гидросуспензий....... 44

3. 2. 2. Прочность влажного бумажного полотна....... 49

3. 3. Влияние проклеивающих вешеств и наполнителей

на прочность бумаги в процессе обезвоживания ..... 55 3. 4. Влияние химических вспомогательных вешеств на прочность бумажного полотна в процессе

обезвоживания .................................... Ы

3. 4. 1. Влияние полиакриламида на прочность гидросуспензий и влажного бумажного полотна ..... 68 3.4.2. Влияние додецилбензосульФоната натрия

(ПАВ) и карбоксиметшшеллюлозы на прочность гидросуспензий и влажного бумажного полотна . . , . 90 3.5.Формирование прочности бумажного полотна по стадиям обезвоживания на бумагоделательной машине........................................... 98

ОБЩИЕ В Ы В О Д Ы.................................. 107

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ........_____ , , 1 09

ВВЕДЕНИЕ ...

В течение последнего десятилетия, наряду с созданием новых способов формования бумаги, в мировом бумагоделательном машиностроении ведутся интенсивные поиски по совершенствованию отдельных процессов и узлов бумагоделательных машин классического гидродинамического Формования бумажного листа. При этом особое требование предъявляется к механической прочности бумаги на различных стадиях обезвоживания, позволяющей вырабатывать ее на современных быстроходных бумагоделательных машинах без обрывов,

Существует много работ, посвященных изучению влияния технологических параметров и видов полуфабрикатов на прочностные свойства готовой бумаги, характеризующие ее эксплуатационные качества. Однако отсутствуют конкретные экспериментальные данные и теоретические выкладки о динамике развития прочности листа в процессе его прохождения по секциям бумагоделательных машин. Необходимость таких данных ошушается при конструировании и проектировании новых бумагоделательных машин. Градиент скорости по секциям, точность регулировки мошности приводов и другие параметры бумагоделательных машин, в конечном счете, лимитируются прочностью полотна, проходящего по той или иной секции.

Также нельзя признать окончательно сФормулированном теорию межволоконного связеобразования в целлюлозных материалах, нет четкого представления о характере связей в зависимости от влажности материала, границе перехода от одного вида связей к другому, Недостаточно изучены энергетические характеристики связей, отсутствуют сведения о распределении связей в бумаге по их энергии.

Традиционная технология производства бумаги имеет немалые возможности для оптимизации. так , например, потеря

механической прочности бумаги из-за изготовления ее в кислой среде привела к изменен.!® в технологии производства бумаги, отлив бумаги в нейтральной и слабощелочной средах дает возможность получить более прочную бумагу и картон. В связи с этим становится актуальным исследование роли различных химических вспомогательных веществ в процессе Формования бумажного полотна при различной его сухости.

Интенсификация производства бумаги и повышение ее показателей качества возможны только на основе проведения широких научных исследований, в том числе по изучению процессов Формования и обезвоживания бумажного полотна.

Целью данной диссертационной работы является установление закономерностей и развитие научных основ межволоконного связеобразования в процессе обезвоживания бумажного полотна» определение прочностных характеристик гидросуспензий и бумаги различной сухости из разных видов целлюлозы, а также в зависимости от использования проклеивающих, наполняющих, Фиксирующих и других химических вспомогательных веществ, это обеспечит более научно- аргументированный подход к расчету и распределению обезвоживающих нагрузок по узлам бумагоделательных машин.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Закономерности изменения прочностных характеристик бумажного полотна в процессе Формования и сутки, начиная от гидросуспензий с концентрацией о, IX и кончая готовой бумагой, в зависимости от вида целлюлозы и степени ее помола.

2. экспериментальные данные о влиянии соединении алюминия, проклеивающих, наполняющих и других вспомогательных веществ на прочность гидросуспензий и бумажного полотна различной

сухости, на развитие межволоконного связеобразования в процессе обезвоживания бумажного полотна.

3. Рекомендации по повышению прочности волокнистых гидросуспензий, влажной и сухой бумаги из различных видов целлюлозы при введении в бумажную массу полиакриламидов, карбоксиметилцеллюлозы. поверхностно-активных веществ.

4. Новые данные о процессе связеобразования в бумажном листе в широком диапазоне сухостей, в том числе о наличии критических точек на кривой сухость - прочность, связанных с изменением числа Фаз в бумажном полотне.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. 1. ВОЛОКНИСТОЕ СЫРЬЕ, ПРИМЕНЯЕМОЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЧНОСТЬ БУМАГИ

В соответствии с современными воззрениями бумага является композиционным капиллярно-пористым коллоидным материалом, имеющим вид листа и состоящим из специально обработанных волокон различного происхождения, а также некоторого количества вспомогательных веществ [б].

В настоящее время основным сырьем для производства бумаги является целлюлоза, получаемая из древесины хвойных и лиственных пород. Принято считать, что морфологические особенности волокон целлюлозы более важны для прочности бумаги, чем их химический состав. Основными Факторами., определяющими прочность бумагиявляются длина волокна, толщина клеточной стенки и прочность индивидуального волокна [291. Хвойная целлюлоза представляет наибольшую ценность. Она состоит в основном из длинных волокон [2,4-3,О мм] - трахеид и содержит очень мало мелких паренхимных клеток [20].

Волокно хвойной древесины имеет более тонкие стенки и люмен большего диаметра, благодаря чему в процессе размола оно изменяет свой трубчатый аспект и принимает Форму широкой ленты, в то время как волокно древесины лиственных пород вследствие жесткости стенок большой толщины и незначительного люмена менее эластично, из-за чего при размоле оно сохраняет трубчатую Форму С90].

По причине незначительной длины волокон [1,0-1,5 мм] лиственная целлюлоза не может конкурировать с хвойной. Но, несмотря на это, лиственная целлюлоза придает бумаге более равномерную структуру, хороший просвет, более гладкую поверхность обеих сторон, непрозрачность и размерную стабильность [61,82].

Способы получения целлюлозы в значительной степени определяют Физические свойства бумаги: макро- и микроструктуру листа, светопроницаемость и светорассеяние, плотность и мягкость, впитывающую способность,диэлектрическую проницаемость и ряд других важных показателей качества бумаги [1].

Наиболее широко используются для производства технической целлюлозы сульфатный и сульфитной ^ методы варки. Рост потребления сульфатной беленой целлюлозы Фактически идет параллельно с технологическим прогрессом в производстве [663. В то же время сульфитная целлюлоза составляет менее юх от обшего производства целлюлозы [80]. Одной из причин перехода на сульфатную варку является качество сульфатной целлюлозы. V сульфатной целлюлозы поверхность Фибрилл менее разрыхлена, плотнее и "глаже", а тем самым при контакте может образовывать волокнистые связи с большей прочностью на единицу поверхности, чем волокна целлюлозы, полученной кислым способом [723. Этим, частично, можно объяснить известные лучшие показатели прочности сульфатных видов целлюлозы.

Как показал Пейдж [96], сила связи волокон сульфитной целлюлозы из ели - 2 9 о х 10 н/м , а волокон

сульфатной целлюлозы из ели - 3 6 о х ю н/м .

V Сульфатная целлюлоза медленнее изменяет степень помола, чем сульфитная целлюлоза. Сульфитная целлюлоза во время размола имеет большую тенденцию к Фибриллированию, чем сульфатная, а

следовательно, поверхность сульфитной целлюлозы увеличивается значительно больше, чем у сульфатной [104]. Некоторые виды беленой сульфитной целлюлозы могут иметь 50-70Х "открытой" поверхности и в состоянии образовать довольно прочную бумагу без размола [1].

У сульфатной целлюлозы существует довольно отчетливое переплетение между микроволокнами с образованием толстых пучков, в то время как у сульфитной целлюлозы преобладают еше отдельные микроволокна. Сульфатная целлюлоза по сравнению с сульфитной первоначально проходит стадию ограниченного разбухания, микроволокна у нее связаны, в основном, в боковом направлении, а поверхность материала содержит относительно больше гемицеллюлоз, что определяет меньшую прочность в неразмолотом состоянии. В процессе размола происходит частичное ослабление связей между микроволокнами, процесс напухания усиливается, но волокна при этом сохраняют свою собственную высокую прочность, а узлы связей, образующиеся вследствие переплетений микроволокон, имеют большую прочность по сравнению с сульфитной целлюлозой из-за меньшего содержания лигнина, особенностей химического состава гемицеллюлоз, а также более высокой степени полимеризации [90]. Как считают многие авторы [13,56,99,106]размол способствует увеличению взаимодействия между волокнами путем повышения гибкости волокон, набухания , Фибриллирования и увеличения количества мелочи.

Таким образом, можно заключить, что способ варки целлюлозы и размол являются наиболее важными Факторами,влияющими на связеобразование в бумаге. Поэтому так необходимы знания основных закономерностей и особенностей в изменении морфологического строения волокон в процессе варки и размола, а также

особенностей их бумагообразуюпшх свойств для того, чтобы рационально использовать полуфабрикаты в производстве бумаги.

1.2. ФОРМИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ БУМАЖНОГО ПОЛОТНА В ПРОЦЕССЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ЕГО ПО СЕКЦИЯМ БУМАГОДЕЛАТЕЛЬНОЙ НАЖИНЫ

1.2.1. Прочность волокнистых гидросуспензий

Бумажная масса, поступающая в напускные устройства бумагоделательных и картоноделательных машин, представляет собой структурированную систему. Структурирование волокнистых суспензий - первый этап Формирования прочностных характеристик бумажного полотна.

Волокна в бумажной массе переплетаются между собой и образуют трехмерную сетку. Возникает так называемая "нетекучесть", т.е. псевдопластичная масса с пластичными бингамовскими и даже вязкоэластичными свойствами [69],

Поппель и Бику [973 рассматривают волокнистые суспензии как неньютоновские жидкости. Воюцкий [53 относит волокнистые

суспензии к коллоидным системам. Главным признаком этого является наличие на поверхности частрз двойного электрического слоя, сольватной оболочки и их способности к ионному адсорбционному обмену. Именно эти свойства ответственны за агрегативную устойчивость коллоидных систем.

Прочность волокнистой сети зависит прежде всего от концентрации массы и от ее состояния. Определенное значение имеют также свойства волокон, к которым относится : длина волокон, жесткость, шероховатость, рыхлость; а также температура, величина

рН, наличие вспомогательных веществ, содержание воздуха [71].

С увеличением концентрации бумажной массы орбиты вращения волокон пересекаются и число столкновений тем больше, чем больше частиц в системе и меньше расстояние между ними. При этом в результате коагуляционных контактов возникает множество отдельных рыхлых агрегатов, обладающих значительной подвижностью, которые Ребиндер [28] называет жидкостными коагуляционными структурами. При дальнейшем увеличении концентрации бумажной массы Флокулы образуют структурную сетку, в которой устанавливаются связи уже между Флокулами, как считает Ефремов [»], за счет электролитических сил дальнего и ближнего действия. Флокуляцию можно считать за элементарный акт Формирования структуры и прочности бумажного полотна [2].

Таким образом, реологические свойства бумажной массы в зависимости от ее концентрации существенно изменяются и проходят как бы три состояния: при концентрациях меньше критических характерно дисперсное состояние суспензий; с увеличением концентрации характерна агрегация волокон в хлопья и при достижении определенной концентрации имеет место^так называемая?неоеедаюшая концентрация, образуется прочная пространственная волокнистая структура с неравномерностями, образованными хлопьями [83.

Мейсон [85,863 считает,что Флокуляция имеет два этапа: столкновение волокон и их слипание. На первый этап Флокуляции (столкновение волокон) влияют концентрация и температура суспензии, скорость сдвига и его длительность, степень турбулентности и вязкость дисперсионной среды. Второй этап Флокуляции (слипание волокон) зависит от геометрических размеров волокон (длины, ширины, Фракционного состава), от состояния их поверхности (разрывы, изгибы, Фибриллирование), а также от

химического характера поверхности (наличие сцепляющих покрытий).

В работая [10,41] указано, что длина волокон, их концентрация в суспензии, вид волокон и степень помола существенно влияют на процесс хлопьеобразования. С увеличением длины волокна Флокулядия возрастает,

Додсон [603 выявил зависимость диаметра Флокул от длины волокна и количества контактов между волокнами:

= А (4+ i^r)

где - длина волокон; /г- - количество контактов между

волокнами, ft = 2 А ' С vol , где А - цу 00 - ширина волокна; Cvolr объемная концентрация.

Влияние вида волокна на Флокуляцию волокнистых систем исследовалось в ряде работ. Как правило, хвойные волокна Флокулируют сильнее, чем лиственные, волокна сульфатной целлюлозы сильнее, чем сульфитной [34],

Считают, что гидратация, Фибрилляция и даже укорочение волокон приводит к увеличению Флокуляции, что обьясняется ростом удельной поверхности волокон, наличием большого количества Фибрилл и, следовательно, склонностью к образованию связей [105].

Кейси [11] указывает на то, что размолотые волокна

ной

содержат больше иммобилизован воды и поэтому меньше Флокулируют.

Рядом исследователей [55,64,87] однозначно установлено, что воздух, находящийся в массе, способствует усилению Флокуляции, за счет сил поверхностного натяжения воздушных пузырьков, которые притягивают волокна друг к другу.

Для целлюлозных волокон характерно наличие заряда на поверхности, определяемое величиной электрокинетического потенциала. Зависимость Флокуляции от электрокинетического

потенциала подтверждается опытами диспергирования целлюлозы в

р

нитробензоле и бензоле, в первом ^ - потенциал равен - 142 мВ

образуются крупные хлопья СЮ].

Исследованиями установлено, что с увеличением степени помола массы неравномерность структуры сначала уменьшается, затем при достижении определенной степени помола начинает возрастать [34,70]. Одновременно с уменьшением неравномерности структуры снижается и прочность волокнистой суспензии.

Прочность структурированных волокнистых суспензий при