автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Межволоконные связи и макроструктура бумаги и картона

Санкт-Петербургский Государственный технологический Университет растительных полимеров р^ На правах рукописи

и п.,

...

Смолин Александр Семенович

Межволоконные связи и макроструктура бумаги и картона

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук (в виде научного доклада)

Санкт-Петербургский Государственный технологический Университет растительных полимеров

На правах рукописи

Смолин Александр Семенович

Межволоконные связи и макроструктура бумаги и картона

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук (в виде научного доклада)

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте целлюлозно-бумажной промышленности и в Санкт-Петербургском Государственном технологическом университете растительных полимеров.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ЧижовГ.И. доктор технических наук, профессор Кокушин H.H. доктор технических наук, профессор Сметанин В.В.

Ведущая организация - Государственная Санкт-Петербургская лесотехническая академия.

Защита диссертации состоится « X» 1999 г.

в ¿V часов на заседании специализированного Совета Д 063.24.01 при Санкг-Пегербургском Государственном технологическом университете растительных полимеров (198092, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, 4).

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного технологического университета растительных полимеров.

Диссертация в виде научного доклада разослана _1999 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета^ ^-^ТО.Н. Швецов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Целлюлозно-бумажная промышленность России переживает достаточно сложное время. Объём производства основ-юй продукции ЦБП сократился приблизительно втрое по сравнению с юнцом 80-х годов. Падение производства сопровождается обострением практически всех проблем, присутствовавших в ЦБП России в дорыноч-ше времена, и появлением ряда новых осложнений. Так, наряду с низким техническим уровнем производства, неудовлетворительным качеством тродукции и экологическими проблемами, возникли трудности с оборот-шми средствами и инвестициями, что в целом определило неспособность з настоящее время отечественной ЦБП к производству конкурентоспособных на мировом рынке видов продукции.

Анализ состояния российской целлюлозно-бумажной отрасли пока-¡ывает, что пути изменения ситуации к лучшему могут быть найдены 1ишь в случае комплексного подхода к решению проблем. Это означает, 1то необходимы усилия практически по всем направлениям, определяю-цим развитие отрасли, а именно: научное обеспечение, техническое пере-юоружение, организация производства и маркетинга, совершенствова-ше технологии, решение технологических проблем.

Настоящая работа отнюдь не претендует на участие в развитии всех вышеперечисленных направлений. Однако следует учитывать, что определённые продвижения по некоторым проблемам не могут не сказаться положительно на всём комплексе вопросов, тесно связанных друг с другом.

Вероятно, наиболее актуальной проблемой, стоящей перед ЦБП в гастоящее время, является низкое качество бумаги и картона при относительно высокой их себестоимости. Это - достаточно ёмкие категории, в рачительной степени определяющие конкурентоспособность продукции. Товышение качества продукции напрямую зависит от используемых по-1уфабрикатов, химикатов, уровня технологии, состояния оборудования и организации производства. Развитие комплекса этих направлений - наиболее перспективный путь выхода из кризиса ЦБП.

Возможно, наиболее перспективным путём выхода из кризисной ситуации является разработка и использование новых эффективных пропсов и технологий, способных радикально изменить соотношение ка-1ества и себестоимости бумаги и картона, создать новые виды продук-щи, обеспечить конкурентоспособность на мировом рынке.

Анализ научно-технической информации в области технологии бу-1аги и картона позволяет сформулировать основные направления техни-1еского прогресса. К ним следует отнести:

■ повышение производительности бумаго- и картоноделательнъ машин главным образом за счет повышения скорости;

■ расширение использования полуфабрикатов высокого и сверхш сокого выхода и вторичного сырья без заметного снижения к чества продукции;

■ снижение материало- и энергоёмкости производства бумаги картона;

■ повышение качества готовой продукции, расширение ассортим© та и создание новых видов бумаги, картона и композиционнь материалов в соответствии с потребностями рынка.

При этом должны соблюдаться основные условия успешного разв] тия отрасли - экономическая эффективность и экологическая безопа ность производства. Очевидная противоречивость успешной реализащ сформулированных выше направлений предопределяет необходимое; новых нетрадиционных решений в сфере технологии и оборудования до производства бумаги и картона [1]. К таковым следует отнести:

■ реализация принципа совмещения процессов, а именно, процессс напуска и формования, формования и прессования, прессования сушки. Примерами являются формование из массы повышеннь концентраций, создание многоканальных напускных устройст двухсеточное формование, прессовая и импульсная сушка, мягк< каландрирование и т.д.;

■ развитие систем многослойного формования бумаги и картон Это направление реализовано путём создания широкой гамм различных «гибрид»-формеров, плоскосеточных машин с верхн] ми формующими устройствами;

■ создание и использование для интенсификации производства вь сокоэффекгивных химических вспомогательных веществ как до введения в бумажную массу, так и для нанесения на поверхнося бумаги и картона;

■ изменение дисперсионной среды в производстве бумаги и картон; Помимо традиционного гидродинамического способа произво; ства и перспективного аэродинамического способа формовани значительный интерес вызывает промежуточный, так называемы пенный способ формования.

Перечисленные проблемы, естественно, не охватывают всех вопрс сов современного развития технологии и оборудования бумажне картонного производства. Их решение, однако, в определённой степей способствует улучшению экономической эффективности и экологическо безопасности отрасли, повышению конкурентоспособности основных ш дов продукции.

Цель работы. Исходя из вышеизложенного, представляется целесо-бразным для исследования в настоящей работе поставить следующие здачи:

■ изучить особенности образования межволоконных связей в процессе обезвоживания полотна;

■ установить основные факторы формирования макроструктуры бумаги и картона;

■ выявить роль дисперсионной среды в процессе формования бумаги и удерживаемости компонентов бумажной массы;

■ разработать технологию многослойного формования бумаги и картона;

в разработать технологию формования из массы повышенной концентрации;

■ разработать технологию формования бумаги из пенной среды.

Исследование указанных областей технологии является необходи-

ым условием развития современных систем формования бумаги и кар-эна. Таким образом, целью диссертационной работы является решение рупной отраслевой задачи - разработка перспективных технологий ормования бумаги и картона на основе исследования закономерностей ?язеобразования, формирования макроструктуры и взаимодействия эмпонентов бумажной массы и дисперсионной среды.

Научная новизна. В работе впервые:

□ путём термохимических, электрокинетических, реологических исследований получены новые данные о процессе взаимодействия целлюлозы с водой, касающиеся теплоты смачивания целлюлозы водой и растворами электролитов, природы электрокинетического потенциала целлюлозных материалов в водных средах, струк-турообразования при повышенных (2,5 - 4,0 %) концентрациях, механизме ослабления и разрыва связей в процессе размола целлюлозы;

п определено влияние длины волокна , его гидратации, электрокинетического потенциала на процесс флокуляции. Установлена зависимость от этих параметров, а также от критериев на их основе, неравномерности макроструктуры бумажного листа. Показано влияние на формирование макроструктуры некоторых химических вспомогательных веществ;

0 исследован процесс связеобразования бумажного листа в широком диапазоне концентраций (от 0,1 до 95% сухого вещества). Установлено наличие критических точек па кривой сухость -прочность (7 - 8%; 50 - 55%) связанных с фазовыми изменениями в бумажном листе;

■ путём исследования элементарных слоев и многослойных структур на их основе определены причины увеличения прочности многослойных материалов, связанные как с возможностью сниженш концентрации при отливе элементарных слоёв, так и с уменьшением неравномерности в многослойном материале благодаря перекрытию слабых участков полотна более прочными участками;

■ показана возможность использования для упрочнения бумаги у картона гидротропных веществ - нового класса химических вспомогательных веществ, способствующих усилению гидратации волокон в процессе размола;

■ в процессе исследования удерживаемое™ компонентов бумажной массы на сетке бумагоделательной машины показана высокая эффективность новых флокулянтов - сополимеров эфиров целлюлозы и акриламида;

■ исследованы свойства волокнистых суспензий в пенной среде Установлено, что волокна в пенной среде располагаются в межпузырьковом пространстве и возможность их флокуляции практически исключена. Определены необходимые виды и концентрации поверхностно-активных веществ для создания пенной суспензии установлены оптимальные размеры воздушных пузырьков и ш объёмное содержание.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

■ определены и ранжированы характеристики бумажной массы влияющие на процесс макрофлокуляции и, соответственно, на неравномерность макроструктуры бумажного полотна. К их числ) следует отнести вид волокна, композицию бумажной массы, длин) волокна, степень гидратации волокон, электрокинетический потенциал. Показано значительное влияние на неравномерное^ макроструктуры условий диспергирования бумажной массы в напускных устройствах и условий отлива полотна в регистровой части сеточного стола. С учётом изменения вышеуказанных параметров рассмотрено влияние различных химических вспомогательных веществ, а также неволокнистых компонентов бумажной массы на неравномерность макроструктуры. С учётом вышеизложенного разработаны рекомендации по технологическим процессам и определённым видам продукции;

■ разработана технология многослойного отлива конкретных видет бумаги и картона, в частности, картона для гладких слоёв гофрокартона, коробочного картона, мешочной бумаги на плоскосе-

точных бумаго- и картоноделательных машинах с верхними формующими устройствами. Определены масса 1 м2 элементарных слоев, условия соединения слоёв, концентрация в напускных устройствах для каждого слоя. Сформулированы рекомендации по отдельным видам и маркам продукции;

И на основании реологических исследований определён уровень необходимого механического воздействия для получения устойчивой трёхмерной структуры бумажной массы с концентрацией 2,5 -4,0%. С учётом полученных данных разработан вариант напускного устройства с принудительным диспергированием для реализации процесса формования полотна из бумажной массы повышенной концентрации. Полученные образцы бумаги охарактеризованы по равномерности макроструктуры и прочностным показателям. Сформулированы основные принципы использования данного метода формования для конкретных видов продукции;

И разработана технология формования бумаги в пенной среде. Данный способ формования охарактеризован как промежуточный между формованием из водной среды и аэродинамическим. Определены параметры пенной среды, её устойчивость, условия создания пенной гндросуспензии. Созданы образцы лабораторного, стендового и опытно - промышленного пеногенератора. В лабораторных и стендовых условиях получены образцы различных видов продукции, в частности, фильтровальных видов бумаги, бумаги для медицинских целей, реставрационных видов бумаги, электроизоляционных видов бумаги, различных видов бумаги специального назначения. Исследованы в плане пенного формования различные виды волокон - целлюлозные, вискозные, виниловые, полиамидные, угленовые, стекловолокна и другие. Установлено, что пенный способ формования позволяет кардинально изменить технологию получения длинноволокнистых материалов, снизив в сотни раз расход воды для разбавления длинноволокнистой бумажной массы. В связи с этим ликвидируется необходимость создания специальных бумагоделательных машин для получения материалов из длинных и сверхдлинных волокон, резко снижается энергоёмкость процесса формования. Создаются особые возможности для получения материалов с достаточно равномерной макроструктурой. Некоторые из них метут быть получены только пенным способом формования. Определены экологические параметры пенного способа формования, перспективы развития этого способа и области применения;

О проведены лабораторные, полупромышленные и промышленные испытания новых химических вспомогательных веществ. Разрабо-

тана технология использования гидротропных веществ в прои' водстве бумаги, в частности карбамида. Дозирование в кол! честве 1,5 - 2,5% от массы волокна карбамида в процессе размок способствует увеличению гидратации волокон, повышение ги( кости и пластичности волокон. Соответственно, улучшают« прочностные и барьерные характеристики бумаги, повышается к стабильность. Наиболее эффективно использование карбамида производстве бумаги, требующей высокоразмолотой бумажно массы с сохранением длины волокна, в частности, подпергамент Разработаны рекомендации по использованию гидротропных в( ществ в производстве бумаги;

■ изучены не имеющие аналогов в мировой практике флокулянть полученные путём сополимеризации эфиров целлюлозы и акр! ламида. Сверхвысокая молекулярная масса, разветвлённость ма! ромолекулы и высокое сродство к целлюлозным материалам пс зволяет достичь практически полной удерживаемое™ на сети компонентов бумажной массы (98 - 99%). Флокулянты испытал в различных видах продукции, определены оптимальные дозиро! ки, обеспечивающие высокую удерживаемость компонентов пр сохранении необходимого уровня равномерности макросгрутсг ры;

■ разработан новый метод подготовки исходных данных на моде{ низацию основного оборудования и создание новых технологич« ских потоков по производству бумаги и картона. Метод основа на определении коэффициентов перехода для различных ког струкций бумаго- и картоноделательных машин и позволяет с вь сокой точностью определять свойства продукции, которая будс производиться на модернизируемых и новых бумаго- и картоне делательных машинах;

В по выданным исходным данным реализован ряд технических прс ектов по модернизации и созданию новых промышленных об'ьи тов. Наиболее крупные из них - картоноделагельная машина длинным плоскосеточным столом и двумя верхними формующим устройствами на Светлогорском ЦБК (Белоруссия) - первая в от< чественной практике, новая картоноделательная машина с вер; ним формующим устройством в I . Цзямусы (Китай), новые карте ноделательные машины в Болгарии и Румынии.

На защиту выносятся следующие результаты работы: О новые данные о процессе взаимодействия целлюлозы с водой; В основные закономерности процесса флокуляции волокнистых систем и формирования макроструктуры бумажного листа; И новые данные о процессе связеобразования в бумажном листе в широком диапазоне сухостей, в том числе наличие критических точек на кривой сухость - прочность, связанных с фазовыми изменениями в бумажном листе; а технология использования для упрочнения бумаги гидротропных веществ - нового класса вспомогательных веществ, способствующих усилению гидратации волокон в процессе размола; а технология использования для удерживаемости компонентов бумажной массы нового класса высокоэффективных флокулянтов -сополимеров эфиров целлюлозы и акриламида; 0 технология многослойного формования картона для гладких

слоев гофрокартона, коробочного картона, мешочной бумаги; а новый метод подготовки исходных данных на модернизацию основного оборудования и создание новых технологических потоков с использованием коэффициентов перехода; □ основы технологии формования бумаги из массы повышенной (2,5

- 4,0%) концентрации; И основы технологии пенного способа производства бумаги.

Апробация работы. Различные части работы опубликованы в семи-;яти печатных материалах, в их числе тринадцать авторских свиде-тьств и патентов. Результаты работ по формованию опубликованы в иге «Технология формования бумаги и картона» (¡984 г.). Многие ма~ шалы докладывались на отраслевых и международных семинарах и .шозиумах. По отдельным частям работы подготовлены и успешно за-[щены шесть диссертаций на соискание ученой степени кандидата тех-ческих наук.

Основное содержание работы

1 .Межволоконное связеобразование как физико-химический процесс.

Общеизвестно, что межволоконное связеобразование - центральный вопрос технологии бумаги и картона. Среди достаточно сложных явлений, сопровождающих межволоконное связеобразование, важную рол! играет взаимодействие целлюлозы с водой. Совершенно очевидно, что т вся вода, проникшая в волокно, равнозначна по силе связей с целлюлозой. При этом существует два вида воды, сорбируемой волокном: взаимодействующая с целлюлозой с выделением тепла и без теплового эффекта.

Смачивание целлюлозных волокон водой - процесс экзотермиче ский, и главной экзосоставляющей является гидратация функциональны? (в основном гидроксильных) групп целлюлозы. Естественно, чем больше ОН-групп доступно для воды, тем больше тепловой эффект АН^.Зна} значение можно судить о количестве связываемой воды, коли

честве доступных ОН-групп в целлюлозе, а, следовательно, о степени е< упорядоченности, об общей поверхности целлюлозы, доступной для во ды. Количество ОН-групп, взаимодействующих с водой, будет во многок определять связеобразующие свойства целлюлозных волокон.

Следует отметить, что термодинамический метод наиболее эффек тивен в сочетании с другими методами исследования. Учитывая вышеиз ложенное, были выполнены термодинамические исследования процессг взаимодействия целлюлозы с водой в зависимости от времени её размола Параллельно производился анализ водоудерживающей способности раз молотой массы, а изготовленные из неё отливки испытывали на механи ческую прочность.

Как видно на рис.1, с увеличением времени размола значения ДН£; вначале возрастают, достигают максимума, потом уменьшаются. Наи большая наблюдаемая разница в значениях внутри каждого вид;

целлюлозы не превышают 0,5 Дж/г. Экзотермический эффект смачивание целлюлозы водой связан с процессом гидратации ОН-групп и зависит о: их степени доступности. Наиболее доступные ОН-группы находятся 1 аморфной части целлюлозы. Экспериментальные данные свидетельству ют о том, что на первой стадии (восходящая часть кривых) с увеличение\ времени размола возрастает количество ОН-групп, доступных дш

ис. 1. Влияние времени размола на интеграль-ую теплоту взаимодействия целлюлозы с во-ой:

-сульфатная небелёная; 2-сульфатная белёная; - лиственная белёная; 4-сульфитная небелё-ая; 5-сульфитная белёная.

Рис.2.Зависимость показателя водоудержания от времени размола целлюлозы: 1-сульфитная белёная; 2-лиственная белёная, 3-сульфитная небелёная; 4-сульфатная белёная; 5-сульфатная белёная.

-1—

■I -1 г 1 X

гх ♦л

" Л^А- _ 5 а

1 . ..._ . 1_____ ........ 1, .

20 ¡6 М 50 бр/ня римш, нин

Рис. 3. Влияние времени размола на разрывную длину бумаги:

1-сульфатная небелёная; 2-сульфатпая белёная; 3-лиственная белёная; 4-сульфитная белёная, 5-сульфитная небелёная.

взаимодействия с водой. Изменение количества доступных ОН-групп количество связываемой при этом воды можно рассчитать.

Известно, что в крахмале независимо от его структуры все гидре ксилы доступны для взаимодействия с водой и теплота смачивания ра: личных структурных модификаций крахмала одинакова и равна 6,7 Дж/г. Зная теплоту смачивания целлюлозы водой, легко определить к< личество доступных ОН-групп в данном целлюлозном образце:

Сон=^-*100%, (1)

Ок 4 '

где Сон - количество доступных ОН-групп целлюлозы; <3ц и О] - интегральные теплоты смачивания целлюлозы и крахмала, Дж/г.

Считая, что при переходе 1г воды из свободного в связанное состо: ние, независимо от природы смачиваемого вещества, выделяется окол 19,1Дж. Отсюда количество связываемой воды рассчитывается по ураз нению:

Хс=Л*100%, (2)

19,1 4 '

где С) - теплота смачивания целлюлозы, Дж/г; Хс - количество связываемой воды.

Соответствующие расчёты по уравнениям (1) и (2) были выполнен для всех исследованных видов целлюлозы (табл.1). Как видно из табга цы, с увеличением времени размола целлюлозы количество доступнь ОН-групп и количество связываемой воды изменяется незначительно. Это свидетельствует о том, что при размоле, по видимому, практически не затрагиваются кристаллические области целлюлозы и увеличение эк-зотермичности взаимодействия целлюлозы с водой происходит за счёт разрыва или ослабления прочных водородных связей, имеющихся в аморфных областях.

Наличие экстремума на кривых рис.1 и дальнейшее снижеш АН^^связано с увеличением фибрилляции в процессе размола и образ« ванием на поверхности волокон сильно набухших гелеобразных проду тов. Благодаря этому при последующей сушке в фибриллах и между ниы образуются прочные водородные связи, которые вода не может преод леть. Поэтому уменьшается количество доступных гидроксилов, сн] жается количество связываемой воды и экзотермичность взаимодейств! целлюлозы с водой. Косвенно это подтверждается тем фактом, что бум

, полученная из массы высокого помола (например, подпергамент), охо смачивается водой.

Таблица 1

Количество ОН-групп, взаимодействующих с водой (Сон, %) и связываемой воды (Хс, %) при времени размола, мин.

Вяд люлозм 0 5 10 15 20 1 0 60

Сон Хс Соп Хс Сон Хс Сон Хс Соя Хс Соп Хс Сон Хс

ьфатна» небел ё- 59,6 20,9 - - 62,4 21,9 «2,5 22,0 65,0 22,8 66,6 23,4 64,8 22,8

ьфахнаИ лёиая 58,7 20,6 60,5 21,3 63,1 22,2 62,9 22,1 61,5 21,6 61,1 21,5 61,8 21,7

звенна? зелёная новая) 59,6 21,0 60,8 21,4 61,4 21,4 65,5 23,0 66,5 23,4 59,5 20,9 59,8 21,0

ьфитна* яебспс- 56,8 19,9 С7 1 Л,1 20,3 57,9 20,4 59,3 20,8 60,6 21,3 58,0 20,4 55,3 19,4

ьфитпа* лёная 58,7 20,6 59,1 20,7 58,0 20,4 58,4 20,5 56,9 20,0 56,2 19,8 54,4 19,1

Помимо определения теплоты смачивания и количества связы-;мой воды, степень разработки волокна характеризовалась также постелем водоудержания по Джайме. Поскольку этот метод даёт воз-жность определить суммарное количество воды (связанной и капил-шой), удерживаемое волокнами, то показатель водоудержания в опре-гённой степени может служить характеристикой набухания целлюлозы, пению набухания придаётся весьма большое значение при рассмотре-I вопросов развития межволоконного связеобразования. Считается, ) именно набухание делает целлюлозные волокна гибкими и пластич-ми, что способствует образованию большего числа связей, а также по-леншо их прочности.

Как видно из рис.2, с увеличением времени размола показатель воздержания растёг для всех исследуемых видов целлюлозы. В то же вре-как известно из литературных данных и подтверждено в наших иссле-(аниях (рис.3) прочность бумаги (например, на разрыв) стабилизируя или даже снижается по мере увеличения времени размола. Следова-ьно, возрастание степени набухания волокон при размоле не всегда

соответствует развитию прочностных свойств бумаги. Более того, чре мерное набухание основной части волокна нежелательно, так как про ность волокна при этом резко падает в результате нарушения его целое ности.

В то же время, влияние времени размола на развитие прочности б мажного листа и на характер изменения величины АН^чмест одну и -же причинную связь. По современным представлениям, быстрое нараст ние прочности на ранних стадиях размола (рис.3) обеспечивается роете гибкости и пластичности волокон благодаря внутреннему фибриллир ванию. Этими же причинами объясняется увеличение значений ДН» Внутреннее фибриллирование способствует разрыхлению структуры в локна, увеличивая тем самым количество ОН-групп, взаимодействуют^ с водой.

При дальнейшем размоле усиливается внешнее фибриллировани сопровождающееся деструкцией волокна. В этом случае на развит! прочности листа оказывают влияние два фактора. С одной сторон] внешнее фибриллирование приводит к образованию прочных межвол< конных связей, что положительно сказывается на прочности. С друге стороны, имеющая место деструкция волокон уменьшает прочное: листа. Противоположное влияние указанных факторов характеризует* изменением интенсивности нарастания прочности (рис.3).

В то же время активное внешнее фибриллирование сказывается i теплотах смачивания, так как при этом (после сушки) образуются про ные связи, уменьшающие количество ОН-групп, доступных для воды, результате значения теплот смачивания уменьшаются (рис.1) и на кривь АН^д - время размола наблюдается максимум. Характерно, что экстр мальные точки на кривых (рис.1) соответствуют изменению интенси: ности нарастания прочности (рис.3). Следовательно, экстремум на Kpi вых АН^ - время размола определяет конец периода быстрого развит! прочности бумаги, то есть чётко разделяет две стадии процесса размола

Исходя из вышеизложенного, определение теплоты смачивания це: люлозы в зависимости от времени размола даёт ценную информацию стадиях процесса размола, а именно: по достижении для данного вщ целлюлозы степени разработки волокна, соответствующей максим ал ному значению теплоты смачивания целлюлозы водой, начинается nepi од преобладающего влияния процесса внешнего фибриллирования вол» кон и связанных с ним явлений [2].

Наиболее важным результатом взаимодействия воды и целлюлоз! по мимо оводнения доступных гидроксилов, следует считать явление н бухания волокна. В сущности оба этих эффекта зависят от одного и toi

се процесса - ослабления и разрыва связей в целлюлозном волокне. При азмоле целлюлозы облегчается доступ к гидроксилам, что приводит к величению набухания целлюлозных волокон, набухание способствует нтенсификации процесса разрыва или ослабления связей внутри волока. Развитие пластичности и гибкости волокон в результате ослабления х внутренней структуры способствует увеличению площади контактов олокон при формовании бумаги и образованию межволоконных связей а счёт включения в водо-водородную, а затем, в процессе сушки, и в во-ородную связь гидроксилов контактирующих волокон.

Основную работу по разрыхлению структуры волокна, а также по езориентации связей внутри волокна выполняет вода, вызывая процесс абухаиия. Размол является лишь толчком для более интенсивного про-жания этих процессов, катализатором физико-химической реакции, ре-/льтатом которой является разрыв или ослабление связей, существующих в волокне. Естественно предположить, что подобным катализатором ожет быть не только механическое воздействие [3].

Учитывая физико-химический характер основных явлений, проис-эдящих с целлюлозным волокном при размоле. Следует предположить эзможность его активации химическим путём, в частности, с использо-анием растворителей целлюлозы. Процесс растворения имеет много бщего с размолом целлюлозы. Основная и наиболее принципиальная азница между этими процессами в том, что размол приводит к увеличе-ию набухания целлюлозы, но оставляет его ограниченным, в то время ж при растворении происходит неограниченное набухание. И в том и в зугом случае основная причина - разрыв и ослабление поперечных спя-■й.

Процесс расгворения можно условно разделить на три стадии: соль-тгация макромолекул целлюлозы в результате диффузии молекул рас-юрителя в целлюлозное волокно; образование химического соединения глжолозы с растворителем; набухание и растворение целлюлозы. В эоцессе размола также можно выделить три стадии активации целлю-хшых волокон: сольватация, или гидратация; механическое воздей-лие; интенсивное набухание. Как и в процессе растворения, все эти стада тесно взаимосвязаны, не имеют резких переходов и могут протекать ^повременно. Однако конечные цели процессов размола и растворения «ершенно различны.

Учитывая вышеизложенное, было проведено исследование возмож-)сти замены стадии механического воздействия на волокно химическим >здействием на него растворителями целлюлозы, имея ввиду получение ,'мажной массы, способной в дальнейшем к интенсивному межволокон->му связеобразованию.

5 сГ

0,7

0.6

0,5

§

h §

5Г в

•сГ

е

Со

§

с»

220

70 - 200

60 - эе сз 180

50 - S •о - ^ 1вП

40 140

30 <о - * Q3 120

«1 е 100

3 4 5 6 7 Концентрация NaVH,°Io Концентрация мочевины -7% Концентрация ZnO на граагине °/т

-1-1_I_I____г- -г- J

40 вО в ШР

Рис. 4. Сравнительные характеристики размолотой и обработанной бумажной массы: I и Г - степень водоудержания размолотой и обработанной бумажной массы; II и 1Г - начальн влагопрочносгь размолотой и обработанной бумажной массы; Ш и 1П' - длина волокна размоле

и обработанной бумажной массы.

03

ч ПО

й*

а £ 100

vi гг 90-

"а

§ 80

R,

SU а 70-

а;

HJ § 60

з

§ 50

й« "S гч 40

б

а

§

<а

«3

500 400 300 200 100

0

1

5,0

4 4,0

-ть

§ 2,0 V-0

I

<5

а

1,0/0,552,0/0,853.0/1,194,0/1,5. Концентрация NaOH/ZnO %

20 30 40 50 Степень помола,

60 70 °ШР

Рис. 5. Сравнительные характеристики бумаги из осиновой сульфатной целлюлозы (■ . -)

и активированной бумажной массы (---):

I и Г - разрывная длина; II и II' - сопротивление излому, III и III' - сопротивление продавливан

IV и IV' - сопротивление раздиранию.

качестве волокнистого компонента использовалась сульфатная белёная ашюлоза из осиновой древесины с содержанием а-целлюлозы 79,9% и |% пентозанов. При проведении предварительного опыта в качестве ютворяющего агента использовался кадоксен, а в дальнейшем хцелоч->й раствор цинкага натрия с добавкой карбамида. Использовались растры с различной концентрацией и различным соотношением щелочи нжата и карбамида. Обработка включала в себя следующие стадии: пе-;мешивание с реагентом-активатором; нейтрализация в кислой среде; юмывка массы с последующим отливом.

На рис.4 представлены изменения, происходящие с целлюлозной спензией при обработке активирующими реагентами. Для сравнения жведены изменения тех же показателей в процессе размола в мельнице РА. Показано, что химическая активация приводит к укорочению во-жон в значительно меньшей степени, чем размол. Благодаря этому на шее высоком уровне находится начальная влагопрочность обработан-)го волокна. Следует отметить, что в процессе химической активации не юисходмт повышения степени помола волокна. Степень водоудержания сработанного волокна возрастает благодаря большей пластификации и шевому расщеплению волокон.

Прочностные характеристики бумаги, полученные при отливе хи-ически активированной бумажной массы с использованием реагента-сгиватора различной концентрации приведены на рис.5. Здесь же показа прочность бумаги, полученной из бумажной массы с различной сте-;нью помола, достигнутой при размоле. Из сопоставления следует, что 5 сопротивлению продавливанию и разрывной длине прочность бумаги ! химически активированной бумажной массы близка к прочности бу-аги, полученной из бумажной массы, размолотой до 40° ШР, по сопро-шлению излому уступает таковой, а по сопротивлению раздиранию {ачительно превосходит. Таким образом, обработка целлюлозы щелоч->ш цинкатным растворителем в присутствии карбамида способствует 1звитию межволоконного связеобразования и, соответственно, проч-зсгных характеристик бумаги. В то же время увеличение растворяющей шы реагента, приводя к повышению эффективности его действия, одноименно вызывает частичное растворение волокна и, следовательно, зеличение долн регенерированного волокна в обработанной массе. Спорность регенерированной целлюлозы к межволоконному связеобразо-шию невелика. Такое протекание процесса затрудняет достижение вы-жой эффективности обработки. В результате проведённых исследова-ш показана принципиальная возможность активизации межволоконно-) связеобразования химическим путём, подтверждён физико-химический фактер связеобразования в бумаге, установлена общность основных

явлений, сопровождающих процессы активизации волокон для связсо( разования механическим и химическим путём [4].

В процессе исследования химической активации целлюлозных вол< кон установлена интенсифицирующая роль карбамида, усиливающег эффект действия растворителей. Карбамид относится к так называемы гидротропным веществам, способствующим как правило увеличени эффективности взаимодействия гидрофильных полимеров с водой. Э<] фективность гидротропного воздействия карбимида оценивалась по и: менению основных свойств бумаги из бумажной массы, полученной пр размоле целлюлозы в присутствии карбамида (рис.6). Очевиден рост сп пени помола целлюлозы в присутствии карбамида при одинаковом вр< мени размола. Также улучшаются физико-механические свойства бумаг] за исключением сопротивления раздиранию, практически не изменяк щегося, в то время как в обычных условиях оно снижается с ростом ст< пени помола.

На рис.7 приведены экспериментальные данные характеризующ* изменение интегральных теплот взаимодействия сульфитной белёна целлюлозы с водными и водно-щелочными растворами карбамида ра: личной концентрации. С ростом концентрации раствора экзотерми1 ность взаимодействия возрастает, принимая более высокие значения да щелочной среды. Расчётные величины дифференциальных теплот сор( ции целлюлозой карбамида из его растворов составляют при 20° С 1 ■

кДж/моль ОС(ЫН 1) г, что свидетельствует о физической сорбции - обр« зовании водородной связи между целлюлозой и карбамидом и отсутстви химического взаимодействия [5-6]. Таким образом использование гидре тройных веществ, в частности, карбамида открывает путь к сниженш энергозатрат при размоле и улучшению физико-механических показат« лей бумаги. В условиях бумажных фабрик «Спартак» и «Новые Верки осуществлено практическое применение карбамида в производстве по; пергамента с ощутимым технологическим и экономическим эффекте? что, наряду с исследованиями, послужило основой для разработки техне логии подготовки бумажной массы с использованием нового для бумая ного производства класса химических вспомогательных веществ - гидре тропных соединений [7-8].

Одним из важнейших результатов взаимодействия целлюлозы с водой ш ляется возникновение на поверхности целлюлозы электрического заряд; Причиной возникновения заряда может быть либо преимущественна сорбция одного из сортов ионов из растворов, либо ионизация активны групп твёрдой фазы, либо ориентация молекулярных диполей, входящи в состав жидкой фазы. Отрицательный заряд поверхности целлюлозны волокон объясняют кислотными свойствами целлюлозы, то есть налич!

5 4 3 2 1

3,4

'.О'

12

120 570 60-

100 6

80' 450 А ч

бо- 40- 250 5 30 ' [

20-

. 0. 90 4 У

Рис.б.Размол сульфитной белёной целлюлозы в присутствии раствора карбамида: 1 - степень помола, "ПЕР; 2 - разрывная длина, тыс.м; 3 - сопротивление излому, число двойных перегибов;

4 - сопротивление раздиранию, гс.

5 - сопротивление продавливанию, кПа*10"'

10 20 30 40 % мочевины в растворе

10 20 30

% мочевины в растворе

Рис.7. Интегральные теплоты взаимодей сгвия растворов мо чевины с целлюлозой:

1 - нейтральный рас твор;

2 - 0,1% №ОН в растворе.

ем карбоксильных групп. В то же время установлено, что для наибол чистых видов целлюлозы, например для стандартного хлопка, содер» щего наименьшее количество карбоксильных групп, отрицательное зг чение электрокинетического потенциала (ЭКП) или ^-потенциала горг до выше, чем у древесных видов целлюлозы, в которых много различи] примесей, в том числе органических кислот. Несложные расчёты показ ваюг, что ионизация структурных групп кислого характера, а также п роксильных групп целлюлозы не может обеспечить поверхностную плс ность заряда, необходимую для создания наблюдаемой эксперименталь разности потенциалов у поверхности целлюлозного волокна в водн среде.

Известно, что отрицательные заряды кислородных атомов пого ных гидроксильных групп целлюлозы достаточно высоки и могут reí рировать поля, обеспечивающие ориентацию дипольных молекул водь поверхности целлюлозы таким образом, что отрицательные концы дил лей будут направлены в раствор. Именно за счет такой ориентации /. польных молекул воды в основном создаётся отрицательный заряд г верхности целлюлозного волокна. На рис.8 представлена зависимость потенциала хлопковой целлюлозы от рН электролита при ионной си раствора ц =0,001. В качестве электролита использовалась система Н< NaCl-NaOH. Ход кривой ¿¡-потенциал - рН в области кислых значен свидетельствует о сорбции ионов водорода и происходящем в связи этим уменьшением ЭКП. С увеличением рН среды соответствен уменьшается количество сорбированных протонов и ЭКП растёт.

В том, что подобные сорбционные процессы имеют место, и убеждает специально проведённый эксперимент по определению равь весных значений рН в системе HCl-NaCl-NaOH (ц. =0,0001) при введенш неё хлопковой целлюлозы в количестве необходимом для создания кс центрации 1% (рис.9). В области кислых значений рН происходит сдвт сторону увеличения рН, в области щелочных значений в сторону уми шения рН. Следовательно, в кислой области сорбируются ионы водо£ да, в щелочной гидроксилы.

Уменьшение сорбции протонов и одновременное увеличение coj ции гидроксилов должно но мере увеличения рН приводить к возрае] нию отрицательных значений ЭКП. Однако (рис.8), ЭКП, достигнув и рН~7 определённого значения в дальнейшем остаётся неизменным. Пр< положено, что выход кривой на площадку связан с увеличением гидрат ционного слоя, имеющим место при возрастании рН. Благодаря бот развитому гидратационному слою граница скольжения в двойном эл< трическом слое отодвигается на большее расстояние от твёрдой фазы

ис 8.Влияние рН среды на величину ^-потении- Рис.9.Изменение рН среды при введении в сис.-па хлопковой целлюлозы. тему хлопковой целлюлозы.

- АНДж/г ц-зы

Рис. Ю.ВлгошиерН электролита на интегральную теплоту взаимодействия с хлопковой целлюлозой

г 3 4 5 6 7 8 9 10 11 К рН о -Система Нс!-Нас(-НаОН при р* 0,001

•----а----- --при ц = б,01

а-Вода

при неизменной толщине диффузного слоя, что должно привести к мен; шим измеренным значениям ЭКП. Таким образом влияние рН на ЭК целлюлозы определяется двумя параллельно протекающими, но против« положно направленными процессами: с увеличением рН среды умен: шается сорбция ионов водорода (ЭКП увеличивается) и с другой стор< ны, увеличивается гидратационный слой (ЭКП уменьшается). Сочеташ этих процессов приводит к выравниванию измеряемых значений ЭК целлюлозы по мере возрастания рН среды. Представляет интерес эксп риментальное доказательство увеличения гидратационного слоя на п< верхности целлюлозы с возрастанием рН среды. С повышением рН сред интегральные теплоты взаимодействия возрастают (рис.10). Д

скольку имеется прямо пропорциональная зависимость между выделж щейся при смачивании теплотой и количеством связываемой воды, выв дим, что с возрастанием рН среды гидратационный слой будет увелич ваться [9].

2.Формирование макроструктуры бумажного

листа.

Равномерность макроструктуры зависит от распределения волок< в объёме и на поверхности бумажного листа и определяется строени* агрегированных элементов пространственной структуры бумаги. Оснс ной причиной неравномерности структуры листа является флокуляц бумажной массы. Уровень флокуляции, или хлопьеобразования, в знач тельной степени зависит от вида волокнистого полуфабриката и харага ра его размола. В зависимости от вида и размола целлюлозы изменяют размеры, форма, фракционный состав, величина поверхности, степе набухания и электрокинетический потенциал волокон.

Увеличение степени дисперсности бумажной массы приводит к р сту поверхностной энергии системы и, соответственно, увеличению хл пьеобразования. В то же время при этом происходит уменьшение длш волокна, что благоприятно сказывается на равномерности структуры £ маги. Увеличение набухания целлюлозных волокон может привести ка* снижению флокуляции благодаря созданию мощных гидратных оболоч на волокнах, так и к росту флокуляции в результате фибрилляции вот: кон с последующим их сцеплением и слипанием. Определение законом^ ностей влияния вида волокнистых полуфабрикатов и режима их размо

[« равномерность структуры бумажного листа является содержанием ¡энного раздела работы.

Объектом исследования были волокнистые полуфабрикаты трёх ви-[ов: сульфитная хвойная целлюлоза марки А-1, сульфатная хвойная небедная целлюлоза марки НС-2, сульфатная осиновая белёная целлюлоза 1арки ОБ-1. Каждый вид целлюлозы размалывался в лабораторном род-;е в режиме рубки в мельнице ЦРА в стандартных условиях и в мельнице Гампена до 30°, 50° и 70° ШР. Всего получено вместе с исходной целшо-:озой, распущенной под мешалкой. 30 образцов волокнистой массы.

Каждый образец массы исследовался путём микроскопического и едиментационного анализа, определялись злектрокинетический потен-[иал, водоудерживающая способность, начальная влагопрочноегь при ухости 20% Ь, неравномерность макроструктуры путём оценки просвета 'бразцов на приборе ИНП-1. По результатам анализа определялись кри-ическая концентрация Со, концентрация нсоседающей массы Сн , мак-имальная скорость оседания Ушах. Средневзвешенная длина волокна 1, одоудержание фракционный состав бумажной массы в процессе раз-юла изменялись вполне закономерно.

Подтверждено падение абсолютного значения ЭКП с ростом степе-и помола. Прослеживается тенденция к уменьшению абсолютного зна-ения ЭКП с ростом водоудержания (рис. 11), что объясняется передви-сением линии скольжения в глубину диффузной част двойного электри-еского слоя приводящем к уменьшению измеренного ЭКП [9-10]. Сте-ень корреляции между \¥ и ¡С, | - (-0,777). Р1з анализа, выполненного на сновании экспериментальных данных корреляционного уравнения, поучаем потенциал с,о=(-32.5) мВ - гипотетический потенциал, которым бладалн бы целлюлозные материалы при условии отсутствия гидрата-ии. Чем меньше степень гидратации, тем ближе измеренный потенциал к о [11].

На рис. 12-14 показана взаимосвязь реологических параметров бу-ажной массы Сн и Утпах с начальной влагопрочностыо листа Ь, а также заимосвязь начальной влагопрочности Ь и неравномерности просвета в. Структурированные системы, обладающие меньшей величиной неосе-ающей концентрации и меньшей максимальной скоростью осаждения, тособны к формированию более прочного влажного бумажного листа, оторый, как. правило, является и более неравномерным, что характерно ш различных полуфабрикатов. Вышеизложенное подсказывает вывод б общности механизмов етруктурообразования и флокуляции, равно как о тождественности параметров бумажной массы, определяющих эти яв-лшя. Однозначно определить эти параметры затруднительно, поскольку процессе размола одновременно меняются как показатели,

2<f

Рис. 11 Взаимосвязь водоудерживающей способности и электрокинетического потенциала бумажной массы:

о-о лиственная сульфатная белёная целлюлоза;

•-, хвойная сульфатная белёная целлюлоза;

д-^ хвойная сульфатная небелёная целлюлоза.

во >

Ж

3 м

№ Í0 S

§ 40

К

10

S, А.

Ч f

А > N

А. \

\ s

«

S о

О ? °

зо

во

3 70

а ж S0

чь SO

в?

о г ьа

«п

А м

«ч

<*>

а 20

1' >■» иСн, %

Рис.12,Зависимость начальной влагопрочности бумажного листа от неоседающей концентрации волокнистой суспензии (обозначения те же, что и на рис. 11).

2а бо too мо

Vmax, мм/мин

Рис.13.3ависимость начальной влагопроч. бумажного листа от максимальной скс осаждения бумажной массы (обозначения что и на рис.11).

Я, сии! 700

БОН 500 400 ЗОВ 200 100 О

Я. синВ 700,-

го ь.м

600 500

то зоо 200 100 о

У

100

200

300 V/,

'у*

Рис.14.Взаимосвязь начальной влагопрочности Рис.15.3ависимость неравномерности просвета от и неравномерности просвета бумажного листа удельного водоудержания бумажной массы (обоз-(обозначения те же, что и на рис. 11). начения те же, что и на рис. 11).

<У, см-мВ

5,смиб 700 Г

600 ¡00 Ш 100 гоо 100

4 1

А

л 1 & \ •

\

\ • \ ' о о

О О • о'

9 О

110

100

30

80

70

1 1

Рис. 1 б.Влияние линейного потенциала волок- Рис. 17. Зависимость показателя просвета от соот-на на неравномерность просвета бумаги (обоз- ношения скоростей массы и сетки, начения те же, что и на рис. 11).

характеризующие степень дисперсности системы (длина, диаметр волок на, критическая концентрация), так и коллоидно-химические характери стики (ЭКП, степень гидратации).

Анализ результатов исследования привёл к нахождению критерии бумажной массы, определяющих её тенденцию к структурообразовани» и флокуляции. Один из этих критериев - удельное водоудержание Шуя физический смысл которого - количество воды, поглощаемое волокно? на единицу площади поперечного сечения. Расчёт показывает, что \¥у, прямо пропорционально произведению средневзвешенной длины волок на на степень водоудержания. Другим критерием бумажной массы, опре деляющим тенденцию к структурообразованию и флокуляции, являете линейный заряд, то есть величина ЭКП, отнесённая к длине волокна. Фи зический смысл этого критерия |С,|/1 - величина заряда приходящаяся н единицу длины волокна. На рис. 15-16 приведена зависимость показател неравномерности просвета от вышеуказанных критериев. Оба критери объединяют параметры, относящиеся к дисперсности системы, с коллс идно-химическими параметрами, и могут служить основанием для регз лирования структуры бумаги в процессе размола [10,12].

В табл. 2 приведены результаты корреляционной оценки вь шеуказанной зависимости, связывающих различные параметры бумая ной массы с уровнем неравномерности макроструктуры листа.

Таблица

Корреляционная оценка влияния некоторых параметров на неравномер

ность макроструктуры.

Параметры W, % СмВ Скр, % 1, мм Vmax, мм/мин СД Сн, % 1л, м 1W

S, см*мВ 0,26 0,41 -0,62 0,68 -0,78 -0,78 -0,83 0,84 0,95

Kaie следует из табл. 2, корреляция неравномерности просвета комплексных критериев значительно более тесная, нежели с такими п раметрами, как длина волокна, степень гидратации, ЭКП, критичеекг концентрация. Показатели прочности волокнистой структуры (Сн, Vma L) также хорошо коррелируют с просветом бумаги, что свидетельству* об общности механизмов формирования структуры как в суспензии, так в листе бумаги [11].

Таблица 3

Влияние сульфата алюминия на просвет бумаги.

д целлюлозы Хвойная сульфатная целлюлоза Лиственная сульфатная целлюлоза Хвойная сульфитная целлюлоза

Расход 4)3 , Мг-экв/и 0 1 4 8 0 1 4 8 0 1 4 8

Степень >мола, ° ШР 53 55 48 39 53 53 51 48 57 51 45 47

рН среды 6,8 6,6 5,8 4,9 6,4 6,2 4,5 4,2 6,3 6,1 4,6 4,2

'Лоудержнва-щая способность,% 204 212 220 200 184 194 192 184 187 187 182 185

екгрокинети еский потенциал, мВ -5,3 -6,76 -5,0 -2,6 -4,85 -7,32 -4,66 -2,86 -8,9 -8,46 -5,55 -3,9

росвет (пло-!дь структурой диаграммы), см*мВ 228 266 238 167 69 138 110 105 88 116 125 120

Равномерность макроструктуры бумажного листа в той или иной :ре связана с большинством используемых в производстве бумаги хи-1ческих вспомогательных веществ. Здесь рассмотрено действие на не-вномерность просвета бумаги всщсств, используемых в качестве фло-лянтов - сульфат алюминия, полиакриламид анионного типа (ПАА), тионный сополимер метакриламида и аминоэфира (Амифлок), и де-юкулянтов - крахмал, карбоксиметнлцеллюлоза (МаКМЦ). Волокнис-[м сырьём служили образцы хвойной сульфатной небелёной и сульфит -гй белёной целлюлозы и лиственной сульфатной белёной целлюлозы, змолотой в ЦРА до 50° ШР.

В табл. 3 приведено изменение некоторых характеристик целлюлозы просвета отливок в зависимости от расхода сульфата алюминия. Изме-ние поверхностных свойств целлюлозы связано с сорбцией продуктов дролиза сульфата алюминия. В процессе гидролиза происходит политизация элементарных звеньев гидроокиси с образованием полимера, особного осуществить связи между целлюлозными волокнами, то есть йствующего как флокулянт. Именно флокулирующим действием объ-няется ухудшение просвета бумаги, наиболее резкое при значениях рН еды, близких к нейтральным, когда присутствие полимерных продук-в гидролиза сульфата алюминия является наиболее вероятным [12,13].

Таблиц;

Влияние некоторых добавок на просвет бумаги.

Вид целлюлозы Хвойная сульфатная небелёная Лиственная: сульфатная белёная Хвойная сульфитна белёная

Вид добавки - ПАА Ами-флок - ПАА Ами-флок - ПАА Ам фл<

Водоудержива-ющая способность, % 198 206 211 192 204 186 184 191 18

Электрокинетический потенциалов -5,3 -3,1 -4,3 -5,2 -3,3 -1,7 -5,9 -2,7 +0

Просвет (площадь структурной диаграммы), см*мВ 216 210 230 136 130 188 122 107 13

Более ярко флокулирующее действие полимеров проявилось при добав синтетических флокулянтов - ПАА и Амифлока. Расход ПАА состав] 0.025%, Амифлока - 0.2% к весу а.с. волокна. Из табл. 4 видно, что доба ки ПАА во всех случаях приводят к некоторому улучшению просвет что объясняется увеличением удерживаемосги мелкого волокна [12]. Д бавка Амифлока ухудшает просвет бумаги, что связано с интеисивнь образованием мостичных связей в системе на фоне низкого ЭКП повер ности целлюлозы. Таким образом, основной причиной флокуляции присутствии неорганических и синтетических полимерных флокулянт следует признать образование межволоконных связей в бумажной массе Добавки картофельного крахмала и ЫаКМЦ с целью дефлокуляц1 в количестве 2% к весу а.с. волокна осуществлялись как в присутствии мг-экв/л сульфата алюминия, так и без него. Из табл. 5 следует, что выс ким значениям ЭКП и водоудержания соответствует лучший просвет о разцов в рамках одних и тех же полуфабрикатов. Это соответствие пр водит к выводу о механизме дефлокуляции в присутствии химичесю реагентов, а именно: основой дефлокуляции является создание зар женных сольватных оболочек на целлюлозных волокнах, и дефлокуля там и могут служить реагенты, способные к образованию развитых сол ватных оболочек и обладающие выраженными анионными свойствами, то же время химическая флокуляция и дефлокуляция с использованш известных в отечественной практике реагентов не может привести к т кому изменению просвета, которое бы вышло за пределы, налагаем* видом полуфабриката [14].

Таблица 5

Влияние дефлокулянтов на просвет бумаги.

Вид целлюлозы Хвойная сульфатная небелёная Лиственная сульфатная белёная Хвойная сульфитная белёная

Вид добавки - 1 2 3 4 - 1 2 3 4 - 1 2 3 4

рН среды 7,6 6,9 5,9 6,7 5,3 6,4 6,5 4,9 6,8 5,2 6,6 6,4 4,4 6,2 4,9

Водоудержив а-ющая способность, % 211 217 198 232 222 200 205 207 226 208 195 205 202 233 208

Электрокинетический потенциал, мВ -5,3 -4,8 -2,5 -6,8 -5,7 -5,8 -2,6 -1,9 -8,2 -4,8 -6,4 -3,0 -1.3 -8,8 -4,3

Просвет (площадь структурной диаграммы), см*мВ 267 269 277 245 253 75 87 92 38 42 119 159 177 107 107

Виды добавок : 1 - крахмал; 2 - крахмал + А1г (80 4), ; 3 - МаКМЦ; 4 - ^КМЦ +-

и2(804)3

Закономерности, полученные в результате исследования процесса |шокуляции в присутствии вспомогательных химических веществ, в зна-штелыюй степени применимы при изучении процесса удерживаемое™ штолшгтелей в бумаге. Степень удерживаемосги наполнителей в бумаге )пределяется количесгвом наполнителя связанного тем или иным способом с волокном, н способностью этих связей противостоять нагрузкам, возникающим при перемешивании и перемещении бумажной массы, а акже при формовании бумажного листа. Таким образом задачей процесса наполнения бумаги является создание условий, при которых наибольшее количество наполнителя будет связано с волокном достаточно фочно. Наиболее прочную связь между наполнителем и волокном обес-[ечивают высокомолекулярные флокулянты. При их введении в бумаж-[ую массу происходит флокуляция, то есть образование агрегатов во-юкно-наполнитель связь внутри которых обеспечивается прочными по-шмерными мостиками. Эффективность флокулянтов зависит от их трукгуры и молекулярной массы, ионогенности полимера, величины и нака ЭКП волокна и наполнителя, развития адсорбирующей поверх-юсти [12].

Таблиц!

Сравнительные данные по удержанию наполнителя неионогенными, ан онными и катионными флокулянтами. Композиция: 60% сульфитной белёной целлюлозы, 40% каолина.

Расход флоку- лянта, % Неионогенные флокулянты Анионные флокулянты Катионные флокулянт

Ргаек!о1 1 Привитые 300 1 Сополимеры Ргаейо! 2900 Привитые сополимеры Ргасж1о1 444 Привитые сополимеръ

Ха.1 рактеристическая вязкость, дп/г

8,2 | 21,9 | 21,0 | 8,0 | 14,4 | 6,4 1 6,3 | 13,1

% ионогенных групп

- - - - 12,5 1,9 - 40,9 2,3

- 40 40 40 40 40 40 40 40 40

0,005 - 85 86 - 72 65 - 49 48

0,02 50 99 95 81 89 86 48 72 73

0,04 60 100 97 86 91 95 55 86 86

Алюмокалиевые кг.аспы в количестве 3 мгэкв/я

- 55 55 55 51 51 53 53 53 54

0,005 - 95 96 - 90 83 - 89 82

0,02 89 100 100 80 100 97 89 98 96

0,04 93 100 100 85 100 100 91 100 98

Совместными усилиями ИБС АН СССР и ВНИИБа с целью увел чения удерживаемости наполнителей были синтезированы специалып флокулянты - водорастворимые привитые сополимеры различных эфир< целлюлозы и акриламида. Наиболее эффективными оказались сополим ры на основе оксиэтилцеллюлозы и акриламида (табл. 6). Исследован] эффективности применения в качестве реагентов удержания наполнит лей привитых сополимеров неионогенного, анионного и катионного тш в сравнении с лучшими зарубежными препаратами показало, что прив: тые сополимеры эффективнее лучших зарубежных флокулянтов. Хара терно, что сополимеры обладают высокой эффективностью как в кисло так и в нейтральной среде, что особенно ценно в условиях получивше1 широкое распространение нейтрального способа производства бумаги.

Значительное влияние на характер просвета бумаги оказывает пр< цесс формования бумажного полотна на сетке бумажной машины. Б; мажная масса во время транспортировки от машинного бассейна к н пускному устройству подвергается в процессе перекачивания значител! ным деформационным нагрузкам. Благодаря тикеотропным свойства бумажной массы существует динамическое равновесие, заключающееся постоянном образовании и разрушении флокул. В напускном устройстс усилие турбулентного сдвига, действуя на бумажную массу, проходящу] через перфорированные плиты и валики, а также через сужающиеся ю налы, приводят к диспергированию бумажной массы. Бумажная масс

юреходит в термодинамически неустойчивое состояние, которое сохраняется только благодаря микротурбулентным воздействиям. Это состоя-ше нарушается в момент выхода бумажной массы на сетку, поскольку жорость перемещения массы относительно сетки становится равной ну-по. Бумажная масса находящаяся в неустойчивом диспергированном состоянии, быстро флокулирует. Этот процесс мог бы продолжаться до перехода бумажной массы в устойчивое состояние с высокой степенью (шокуляции, однако происходящее одновременно обезвоживание, сопровождающееся ростом концентрации в волокнистом слое и уменьшением годвижности волокон, тормозит процесс, который прекращается по до-¡тижении определённых концентраций волокна, зависящих от характера бумажной массы.

Таблица 7

Флокуляция бумажного полотна на сеточном столе.

Параметр Начальная Величина параметров в точках

Концентрация I П . Ш

Сухость полотна, 0,55 0,60 0,98 2,30

% 0,93 1,03 1,37 2,38

Уровень постоянной 0,55 0,60 1,05 1,73

"гаи.тлощей фототока, В 0,93 0,90 1,35 1,80

Расстояние между 0,55 36,0 12,4 7,2

Дснтрами флокул, мм 0,93 10,8 8,0 6,2

Спектр неоднородностей, полученный в результате описанных Провов, в основном сохраняется на дальнейшем пути бумажного волокна о ходу бумагоделательной машины и определяет неравномерность гото-ого бумажного листа. Результаты произведённой оптическим методом егистрации флокуляции в трёх точках на сеточном столе показаны в абл. 7. Увеличение уровня постоянной составляющей фототока евиде-ельствует о возрастании контрастности флокул. Уменьшение расстояния ежду центрами флокул говорит об увеличении их числа в полотне бума-и. В результате эксперимента выявлено, что с уменьшением концентра-ии в напускном устройстве уровень флокуляции падает. Наиболее прин-ипиальным представляется вывод о прохождении на сетке процесса локуляции бумажной массы. Одновременно с обезвоживанием бумаж-ая масса флокулирует причём более интенсивно при низких концентра-иях с постепенным затуханием флокуляции с ростом сухости полотна.

При оценке влияния процесса формования на просвет бумажного ¡ста следует учитывать, что неравномерность структуры в значительной геиени определяется композиционным составом, подготовкой бумажной ассы, наличием флокулирующих и дефлокулирующих веществ. Для ис-

юпочения этих факторов и выделения в чистом виде влияния формован просвет готовой бумаги должен связываться с просветом лабораторно образца отлитого из бумажной массы, отобранной из напускного ус ройства бумагоделательной машины. За редким исключением, проев лабораторных отливок лучше, чем просвет соответствующих произво ственных образцов. Поэтому коэффициент перехода по просвету, я ляющийся отношением величины просвета готовой бумаги к величи; просвета соответствующего лабораторного образца, как правило болы единицы, хотя случалось, что уровень просвета лабораторного и пр мышленного образцов примерно одинаков. Это явление характерно д тонкой бумаги из массы жирного помола. Причины ухудшения просве при машинном производстве бумаги заключены в большей концентращ отлива, большей интенсивноеш обезвоживания, меньшей удерживаемо ти мелкого волокна и наполнителя (табл. 8).

Таблица

Влияние на просвет условий формования писчей бумаги.

Просвет Концен- Концен- Золь- Удержа- Просвет-

№ - лабора- трация Скорость трация ность ние на- бумаги Коэф

опыта торного в на- мапш- регист- регистр - полни- с фицие

образца, порном ны, ровой овой теля. наката, перехо

см*мВ ящике, % м/мнн воды, % воды, % % см*мВ а

1 37,5 0,63 250 0,22 52,9 16,2 72,7 1,93

2 46,5 0,54 230 0,14 34,5 18,8 65,5 1,41

Улучшение условий напуска и отлива привело к улучшению проев та, особенно к уменьшению коэффициента перехода. В табл. 9 показа! роль обезвоживающих элементов, вида сетки и ровнителя в формиров, нии макроструктуры. Усовершенствование конструкции сеточных ст< лов, особенно установка ровнителя, в значительной степени способству* улучшению макроструктуры бумаги.

Таблица

Влияние конструктивных особенностей сеточного стола на коэффициен

перехода по просвету.

Конструктивные Вид бумаги

Особенности печатная офсетная писчая

Регистровые валики, металлическая сетка 5.63 3,92 3,60

Гидронлашш, металлическая сетка - 2,43

Гидропланки, сшп етнчестая сетка 5,15 1 2,30 -

Гидропланки, синтетическая сетка, ровни- 1,29 1,82 -

тель 1

Определённое влияние на уровень просвета бумаги оказывает соотношение скорости массы, выходящей из напускной щели, и скорости сетки. Возможное воздействие на просвет заключено в явлении отставания или набегания верхнего слоя массы относительно нижнего, захватываемого сеткой. Эти явления должны усиливать облачность бумаги, то есть ухудшать просвет. Эксперимент, результаты которого приведены на рис. 17, показал, что оптимальным для макроструктуры является область соотношения скоростей 1,00 - 1,02. Ускорение выхода массы из щели по отношению к скорости сетки бумагоделательной машины ухудшает просвет в большей степени, чем замедление выхода массы из щели напорного ящика [15].

3. Формирование связей в процессе обезвоживания.

При обезвоживании бумажной массы возрастает концентрация во-юкон в системе. Концентрация волокон определяет расстояние, на котором волокна находятся друг от друга. При малых концентрациях волокна 7риобретают возможность свободно перемещаться в дисперсионной среде, не сталкиваясь друг с другом. По достижении некоторой концентрации, называемой критической, столкновения волокон из случайных ста-ювятся вынужденными. Величина критической концентрации зависит от 'еометрических размеров волокон, главным образом от отношения дли-1Ы волокна к его диаметру. Для целлюлозных волокон критическая концентрация значительно ниже, чем концентрация отлива, поэтому в наносных устройствах бумаге- и каргоноделательных машин столкнове-шя волокон являются вынужденными и та или иная степень взаимодей-твия неизбежна. Для целлюлозных гидросуспензий характерна фиксация ю вторичном энергетическом минимуме, а не непосредственное слипа-ше, которое предотвращается благодаря набуханию целлюлозы и, в не-:оторой степени, наличию электрокинетического потенциала. Таким об->азом, связеобразование в бумажной массе представляет собой процесс, ечение которого определяется поверхностными свойствами волокон, тепенью их дисперсности, концентрации волокнистой системы и войствами дисперсной среды.

Для определения прочностных характеристик бумажного листа в ависимости от степени обезвоживания, начиная от прочности суспензии концентрацией 0,1% до стадии готовой бумаги проведено специальное сследованне. Прочность суспензий в диапазоне концентраций от 0,1 до

2,5% определялась на приборе, работающем на принципе разрыва столбца волокнистой суспензии от собственной тяжести. Прочность влажней бумаги с сухостью от 6 до 40% определялась на приборе Брехта. Прочность бумаги с сухостью от 50% до готовой бумаги определялась не обычной разрывной машине по специально разработанной методике. Для сопоставимости результатов прочность для всего диапазона сухостей выражалась в Н/м2 . Результаты эксперимента приведены на рис. 18 и виде полулогарифмической зависимости для всего диапазона сухостей и в обычном масштабе для сухостей ет 10% дс сухости готовой бумаги.

Анализ кривых показывает, что с ростом концентрации волокон резко возрастает прочность волокнистой системы в результате сближения волокон и увеличения площади контактов и их прочности. При достаточно малых межволоконных расстояниях гидратные оболочки волокон вступают п непосредственный контакт друг с другой. Если при малых концентрациях структурообразсвание осуществляется путём фиксации элементов во вторичном энергетическом минимуме, то с ростом сухоста создаются условия для непосредственных коагуляционных контактов. Это взаимодействие является более энергичным, что к проявляется в росте прочности волокнистой структуры.

На начальном этапе обезвоживания формуемое полотно представляет собой двухфазную систему жидкость - твёрдое тело. По мере обезвоживания уровень жидкости в волокнистом слое снижается, причём скорость уменьшения высоты жидкости в полотне превышает скорость уменьшения толщины волокнистого слоя. Как только уровень жидкости е слое становится меньше высоты слоя, в формуемое волокно начинает проникать воздух, и волокнистая система на сетке бумагоделательной машины становится трёхфазной. Поступление воздуха в волокнистый фильтрующий слой начинается прк достижении сухости около 7 - 8% характерной для так называемой «сухой линии». На месте «сухой линии:-: зеркальный залив на сетке переходит в матовый, поскольку на поверхности слоя проступают волокна, которые ранее были скрыты внутри жидкой фазы. Положение «сухой линии» зависит, помимо сухости волокна, также от ряда других факторов - вида волокна, степени помола, кислотности среды, наличия наполнителя и проклеивающих веществ я т. д Эти факторы оказываются на формах взаимосвязи воды и компоненте!: бумажной массы, определяя, гидратацию, капиллярно-пористые характеристики волокнистых систем, количество «свободной» воды. Сильно набухшие фибршшироваикые целлюлозные волокна могут сдвинуть положение «сухой линии» в сторону меньшей сухости полотна. Е основном одяако, положение «сухой линии» соответствует сухости полотна около - 8%, что ясятзержцается рядом экспериментальных замеров.

Качественное изменение системы - проникновение в неё воздуха - означает возникновение новой фазы и соответствует области перегиба кривой на рис. 18 (при сухости 7 -10%).

Если до этой области прочность волокнистого слоя определялась фиксацией волокон в местах энергетического минимума и коагуляцион-ными контактами, то при увеличении содержания воздуха в полотне всё большую роль играют силы поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение возникает благодаря наличию внутреннего давления - силы направленной внутрь от поверхности воды. Внутреннее давление и, следовательно, поверхностное натяжение имеют место и в случае двухфазной системы целлюлоза - вода. В этом случае межфазное поверхностное натяжение незначительно, так как целлюлоза притягивает к себе молекулы воды и таким образом уменьшает действие некомпенсированных сил на поверхности воды. При поступлении воздуха в систему главную роль начинают играть силы поверхностного натяжения на границе вода - воздух. Взаимодействие между молекулами воды и воздуха практически отсутствует, и прослойки жидкости стягивают целлюлозные волокна между собой благодаря силам поверхностного натяжения, направленным внутрь жидкости и обуславливающим сокращение свободной поверхности воды. Этот эффект объясняет, почему сухие волокна целлюлозу не образуют связи даже при приложении давления (минимальное значение поверхностного натяжения на границе раздела воздух целлюлоза) и целлюлозные волокна в водной среде легко разделяются (также малые значения поверхностного натяжения на границе вода - целлюлоза). В то же время соединения влажных набухших целлюлозных волокон с последующей сушкой приводят к образованию прочного бумажного листа, поскольку силы поверхностного натяжения на границе раздела вода воздух приводит волокна в тесное соприкосновение с последующим образованием прочных водородных связей.

Таким образом, в сеточной части бумаго- и картоноделательных машин начинается формирование связей, переходящих при последующим обезвоживание в непосредственные контакты волокон с образованием водородных связей. Рассмотрение связеобразования в волокнистых суспензиях и поведения формуемого волокнистого слоя в процессе обезвоживания делает достаточно обоснованным экспериментальный факт тесной корреляции между прочностью структуры волокнистой суспензии и прочностью бумажного листа.

Дальнейшее обезвоживание приводит к уменьшению количества межволоконной влаги. По достижении определённой сухости вода из промежутков между волокнами исчезает практически полностью, а

СУХОСТЬ, %

2

Рис.18.3ависимость прочности бумаги о (Н/м ) из целлюлозы, размолотой до 30°ШР, от сухос 1 - сульфатная небелё ная хвойная; 2 - суль фатная белёная хвой ная; 3 - сульфатная бе лёная лиственная; 4 - сульфитная белёная хвойная.

200

«

а:

3

4

■•о §

к

53

| ¡0 20 3 0 40 50 60 70

°ШР

Рис. 19.График зависимости прочности суспензии от степени помола при концентрации 1%: 1 - сульфатная небелёная хвойная; 2 - сульфитная белёная хвойная; 3 - сульфатная белёная хвойная; 4 - сульфатная белёная лиственная.

150

100

10 20 30 40 50 60 70 °ШР

Рис.20.График зависимости разрывной дли бумаги сухостью 30% от степени помола: 1 - сульфатная небелёная хвойная; 2 -сулы} ная белёная хвойная; 3 - сульфатная беле лиственная; 4 - сульфитная белёная хвой

эумажное полотно из трёхфазного состояния переходит в как бы двухфазное.

Полностью двухфазным это состояние квалифицировать нельзя так как знутриволоконная влага сохраняется и присутствует постоянно даже в готовой бумаге. На рис. 18 этому состоянию соответствует область перегиба кривой при сухосги 50 - 55%. От этой области начинается интенсив-!ioe образование водородных связей между волокнами, поскольку прослойки воды уже не могут помешать евязеобразованию. Таким образом разовые превращения в процессе обезвоживания приводят к изменению характера межволоконного связеобразования. Так, в волокнистых гидро-зуспензиях волокна фиксируются в местах энергетического минимума и связаны благодаря коагуляционным контактам, во влажном полотне зна-•штельную роль играют силы поверхностного натяжения,, в сухом - водородные связи. Изменение характера межволоконного связеобразования приводит и к изменению вида зависимости прочности полотна от сухости [рис. 18).

Переход от одних сил к другим осуществляется достаточно плавно, существуют переходные области, где действуют как одни, гак и другие :илы. Контакты, реализованные з волокнистом слое в начале сеточного .тола и определяемые по .местам фиксации волокон во вторичном энергетическом минимуме сохраняются и во влажном полотне, поскольку проникновение воздуха происходит по областям содержащим «свободную» зоду. В сухой бумаге водородные связи возникают в местах стяжек воло-«>н под действием сил поверхностного натяжения. Следовательно, обра-ювание связей между волокнами в процессе обезвоживания происходит ¡епрерывно, однако природа связей различна для гидросуспензйй, влажного полотна и сухой бумаги, причём это различие не только физико-шмическое, но и энергетическое. Поэтому с ростом обезвоживания, по ¿ере перехода от одного вида связи к другому, происходит упрочнение бумажного полотна, и наибольшая прочность соответствует водородным лзязям, имеющим большую энергию [12].

На рис. 19-21 показано влияние степени разработки волокна на трочность гидросуспензий при концентрации 1%, влажного полотна при сухости 30%, а также на прочность бумаги при сухости от 50% до воздушно сухой [16-17]. Различный характер кривых свидетельствует о разных механизмах связеобразования в зависимости от сухости. Влияние пенсии помола связано с изменениями длины волокна и степени гидратации волокон. На рис. 22 показано изменение прочности суспензии во-гокон и бумажного полотна при различной сухости в зависимости от ¡водимых химикатов. Характер зависимостей укладывается в ранее най-(енные закономерности.

за

я

<

в £

а

2000

20 30 40 50 60 70 СТЕПЕНЬ ПОМОЛА, *ШР

Рис.21,Зависимость прочности от степени помола для сульфат- ной небелёной целлю лозы; 1 - 50% сухости; 2 - 60% сухости; 3 - 70% сухости; 4 - 80% су хости; 5 - воздушно сухая.

140

С=1%

С=20*

С=70%

ВОЗДЗГШНО-СПАЯ БУМАГА

Рис.22.Диаграмма изменения прочности бумаги о (Н/м ) в зависимости от сухости при введе) добавок: | [ - масса без добавок; Х/^/к - масса+клей+сульфат алюмитш

• масса+клей+каолин+сульфат алюминия.

4. Многослойное формование бумаги и картона.

Наиболее значительным преимуществом многослойного формова-ия бумаги и картона перед однослойным при прочих равных условиях вляется возможность формования при более низких концентрациях от-ива. Увеличение неравномерности макроструктуры листа при росте онцентрации массы в напускном устройстве хорошо известна [12]. В словиях многослойного формования с постоянной концентрацией отли-а при наложении друг на друга элементарных слоев происходит значи-гльное снижение неравномерности макроструктуры благодаря усредне-ию флокулированных участков (табл. 10).

Таблица 10

Изменение неравномерности просвета в зависимости от количества

слоев.

Количество Слоев Масса 1 м 2, г Плотность, г/см3 Относительное сопротивление продаашгоанию, кПа Неравномерное« . просвета, мВ*см

1 40 0,76 270 8,6

2 80 0,78 310 6,7

3 120 0,80 350 5,0

4 160 0,82 430 3,0

5 200 0,82 460 2,7

При этом одновременно увеличивается плотность материала и от-эсительная прочность. При снижении концентрации отлива также на-подается увеличение плотности и относительного сопротивления про-шливаншо (табл. 11) [18].

Таблица 11

Влияние концентрации массы при отливе на свойства картона.

Опыт 1 Опыт 2

Ионцопрация Относительное Относительное

1>ормования, Плотность, сопротивление Плотность, сопротивление

% г/см3 Продавлившшю, г/см3 продавливанию,

кПа*10~2 кГ1а*10 2

1,0 0,67 2,4 0,67 2,7

0,5 0,68 2,8 0,67 3,2

0,25 0,71 3,1 0,71 3,4

0,125 0,72 3,5 0,73 3,45

0,07 0,71 3,9 0,72 3,8

Однако, уменьшение прочности материала при увеличении кон-нтрации при отливе происходит не только из-за роста неравномерно-

сти макроструктуры. Чем выше концентрация при отливе, тем болы возможность образования трёхмерной структуры волокнистой системь; ориентации волокон под различными, вплоть до 90°, углами к горизс тальной плоскости. Эти волокна, естественно, не несут или несут в ма шей степени нагрузки, действующие, как правило, в горизонтальн плоскости. На рис. 23 показано, что с увеличением концентрации мае-при формовании прочность картона снижается. Для однослойного ке тона эта зависимость имеегг линейный характер. С увеличением кол чества элементарных слоев зависимость прочности картона от конце! рации формования уменьшается. При исследовании полученных обр< цов картона была установлена тенденция к увеличению сопротивлен расслаиванию картона с повышением концентрации формования (р] 24), что является косвенным подтверждением рассмотренной выше гиг тезы о механизме влияния концентрации массы при отливе на прочное готовой продукции, поскольку увеличение доли волокон, opиeнтиpoвí ных под углом к плоскости листа, должно увеличивать сопротивлен картона расслаиванию [18].

По изложенным выше причинам бумага или картон, полученные производственных условиях, по своим свойствам отличаются от лабо{ торных образцов, полученных путём отлива на листоотливных аппарат из той же бумажной массы. Как правило, лабораторные образцы име] лучшие физико-механические показатели, более равномерный профи по толщине, лучший просвет. Более интенсивное обезвоживание в уез виях производства по сравнению с лабораторными может усилить блш даря действию фильтрационных потоков воды переориентацию волок в плоскости отличной от плоскости листа, а также уменьшить удери ваемость компонентов бумажной массы. Эти явления в целом ведут снижению прочности материала.

Ухудшение свойств бумажного или картонного полотна по срав] нию с лабораторными образцами количественно оценивается так наз ваемым коэффициентом перехода. Коэффициент перехода представлю ех)бой отношение какого-либо показателя качества бумаги или карто] полученного в производственных условиях, к этому же показателю ла( раторных образцов, отлитых из идентичной бумажной массы. Коэф<] циент перехода характеризует, насколько ухудшается качество прод; ции в процессе её производства на бумаго- и картоноделательных май нах. Лабораторный же образец бумаги или картона, выполненный п соблюдении надлежащих условий, определяет потенциальные

«

i

ол o.s а,в

■ Концентрация, %

Рис.23,Влияние кон центрации массы при формовании на con ротивление продав-ливанию картона:

1 - однослойный кар тон; 2 - двухслойный, - трёхслойный; 4 - четырёхслойный.

f,0

Л

N »ч

11 I! Ч

k г г Г

• • J >

Рис.24.Влияние кон центрации массы при формовании на con ротивление картона расслаиванию:

2 - двухслойный кар тон; 3 - трёхслойный; 4 -четырёхслойный; 5 — пятислойный.

0,2 0,$ 0,6 1,0 Концентрация, %

1200

а

я §

а

1000

800

боо!

«

о &

Su

S

¡ 400

к ^

а

л •

-"'-"'""I

í 2 ■i ! i I ! 1

I 1 i

Рис.25.Влияние числа слоев на прочность картона:

1 - картон из сульфат ной небелёной целлюлозы; 2 - картон из смешанной композиции; 3 - картон из ма кулатуры.

4 Vsconst Число слоеб

2

возможности данной бумажной массы в плане формирования прочное ных показателей готовой продукции на конкретной машине [19].

В табл. 12 показано, что при переходе к раздельному формоваш индивидуальных слоев картона коэффициенты перехода возрастают. Е реход на многослойное формование позволяет решить целый ряд пр блем, стоящих перед картонным производством. Многослойное форм вание повышает прочность картона без повышения массы 1м2 за сч получения более пухлого внутреннего слоя с уплотнёнными, прочны/ наружными слоями.

Таблица

Коэффициенты перехода для картоноделательных машин (КДМ) разли

ных конструкций.

Конструкция формующей части Вид продукции Производительность, т/ч*м Коэффш. ент пере.' да но пр давливан

Плоскосеточная КДМ Бумага для гофрирова Ш1Я 3,85 0,37

Тоже Коробочный картон 2,80 0,40

Плоскосеточная КДМ с двумя напорными ящиками Картон для плоских слоев гофрокартона 5,70 0,41

Круглосеточпая многоцилиндровая КДМ Коробочный картон 0,62 0,58

КДМ типа Инверформ Спичечный картой 2,50 0,53

Комбинированная трёхсеточная КДМ, средний слой формуется на четырёх вакуум-формующих цилиндрах Коробочный картон 2,48 0,63

Такой картон приобретает повышенную прочность на изгиб, жё< кость его не уступает жесткости однослойного картона с более высою массой 1м2. Экономия волокна при многослойном формовании мож составить примерно 10%. В случае использования низкокачественных и луфабрнкатов или макулатуры при многослойном формовании мож: при сохранении массы 1 м 2 картона достичь достаточно высоких прс постных показателей. При традиционном формовании такого карто использование низкокачественных полуфабрикатов и макулатуры рез

кудшает внешний вид картона, снижает показатели его прочности и роизводительность машины. Установлено, что повышение содержания акулатуры до 25% снижает сопротивление продавливанию на 20%. Од-ако при получении многослойного картона с содержанием такого же оличества макулатуры во внутренних слоях сопротивление продавлива-шо снижается всего на 6%, а внешний вид не отличается от картона, формованного из 100% крафт-целлюлозы [12,20].

На рис. 25 показана зависимость прочностных характеристик карана, отлитого с различным числом слоёв отдельно из сульфатной небе-ёной целлюлозы, макулатуры и смешанной композиции, содержащей Т/о бисульфитной хвойной целлюлозы, 30% макулатуры и 20% сульфат-ой небелёной целлюлозы (проектная композиция для картонодеяатель-ой машины Светлогорского ЦБЗ). Относительное сопротивление про-авливанию для макулатуры возрастает при увеличении числа слоёв до 5, пя сульфатной небелёной целлюлозы - до 3. В то же время прочность бразцов сложного композиционного состава приближается к прочности бразцов из сульфатной небелёной целлюлозы, что характеризует потен-иальные возможности многослойного формования [21].

Многослойная конструкция картона позволяет оптимизировать груктуру расположением в необходимом порядке слоёв из различных олуфабрикатов. На рис. 26 показано влияние расположения слоёв раз-ичной прочности в двух - и трёхслойном картоне на его прочностные арактеристики. Трёхслойный картон во всех случаях предпочтительнее, гм двухслойный. Расположение прочных слоёв с верхней и нижней по-грхности, а менее прочного полуфабриката в середине листа - наиболее ¡лгодная структура картона. Это связано с необходимостью достижения ^соких показателей при работе картона на изгиб, где, как известно, аибольшее напряжение испытывают поверхностные слои листа [12].

Результаты вышеприведённых исследований послужили основой для азработки исходных данных для новых технологических потоков по роизводству картона и использованием многослойного формования, в астности, для картоноделатеяьных машин Светлогорского ЦБЗ Белоруссия) и ЦБК Цзямусы (Китай). Эти машины изготовлены на оте-гственных машиностроительных заводах и в настоящее время успешно ссплуатируются.

Достаточно перспективным выгладит использование многослойного ормования в производстве мешочной бумаги, поскольку в этих условиях »можно снижение концентрации при отливе, что особенно эффективно та формования длинноволокнистой бумажной массы. В табл. 13 показа-э влияние снижения концентрации при отливе элементарных слоёв.

кк

6,0 т

1 2 3

12 3

Рис.2б,Влияние расположения слоев различной прочности на свойства картона, крафт-целлюлоза; Х^'А- макулатура.

1300

1100

Я1Ч

ЯШ •

. 0 0,2 0,4 К0ЩЕНТЙЦИЯ,*

0 0,2 0,4

кшрзищ,*

Рис.27,Влияние кои центрации массы п] многослойном фор] вании мешочной б>

ги массой 78 г/м 2 1 свойства:

1 - однослойная;

2 - двухслойная;

3 - трёхслойная.

Таблица 13

Зависимость неравномерности просвета и прочностных

свойств элементарных слоев от концентрации массы

1асса бу- Число слоев Концмгграц Неравномер Разрушают Относитель Работа раз-

;аги пло- в бумаге ня массы, % ность про- ее усилие, ное удлине- рыва1

щадью света, % Н ние при рас- Дж-'О"4

. 2 1 М , д- тяжении, %

40 1 0,04 46 45,6 1,9 56,8

40 1 0,10 70 38,8 1,6 40,9

80 2 0,04 25 107,3 ' 2,5 177,4

80 " - -7—-Н - 0710 39 94,3 2,1 131,6

В этой серии экспериментов оценка неравномерности макрострук-ры проводилась на новом приборе ИНП-М. Данные рис. 27 подтверж-1ют, что одновременное воздействие двух технологических факторов -ойности бумаги и низкой концентрации при отливе слоев оказьюают )фективное воздействие на улучшение структуры и прочности бумаги, педовательно, как и в случае формования картона, многослойное фор-эвание мешочной бумаги обеспечивает равномерность структуры бу-шного полотна в результате перекрытия ослабленных участков элементных слоев при наложении друг на друга. Особенно эффективно произ-щство двухслойной мешочной бумаги при повышении массы 1м1 до 90 120 г. (рис. 28). Снижение количества слоев бумаги при изготовлении ?мажных мешков из двухслойной мешочной бумаги приводит к общему [ижению массоёмкосгги бумажного мешка [22]. Эффективность двух-юйного формования мешочной бумаги подтверждается и путём оценки ючности бумажных мешков при динамических нагрузках (рис. 29-30). яергоёмкость бумаги в исследуемом интервале массы 1м2 78 - 140 г за [ёт двухслойного формования повышается соответственно на 25 - 52% ) сравнению с однослойной бумагой. Улучшение ударной прочности ликов из бумаги двухслойного формования определяется более высо->й работой разрыва полотна.

Новая технология производства мешочной бумаги позволяет сни-[ть на 10-20% массу 1 м1 двухслойной бумаги при изготовлении бумаги цшаковой прочности с однослойной и позволяет сократить расход во-жнистого сырья при производстве мешков. Возможно также увеличение комбинации более дешёвых волокнистых полуфабрикатов - лиственной 5ллюлозы нейтрально-сульфатной полуцеллюлозы, мешочной макула-ры без снижения статической и динамической прочности материалов 3 - 24].

м

8 §

1000

600

200

/ г 1

__»—ч -—

12 3 4 ЧИСЛО слойз

12 3 4 ЧШЛО СЛОЕВ

Рис.28Влияние чис слоев при многослс ном формовании ш свойства мешочной бумаги различной л

, 2

сы 1 м

140 г; 100 г; 78 г;

121 9 б

•ч О'

270

170

ТЧЭ

во

ХОО

Масса 1 м2, г

120

Х40

Рис.29,Зависимо

работы разрыва

гослойной бума1

, 2 массы 1 м

1 - однослойная;

2 - двухслойная;

3 - трёхслойная.

зо

50

§,20

ХО

I

1 1 л

! Ж - я // 1

1 ^г ^ 1 г 1 ■ -1

.

во

ХОО

120 140

Рис.ЗО.Влияние массы

,2 „ „ I м многослойной

бумаги на ударную

прочность моделей

мешков:

1 - однослойная;

2 - двухслойная;

3 - трёхслойная.

Масса 1 м , г

Рис. 31. Влияние числа оборотов ротора и за зора на объёмное содержание воздуха в пене:

с=0,5 г/л; т=10 мин;

1 - п=2000 об/мин;

2 - <1=1500 об/мин;

3 -п=1000 об/мин;

4 - п=500 об/мин.

5. Формование полотна из бумажной массы повыше

ной концентрации.

Формование полотна при низких концентрациях, безусловно, собствует получению более прочных материалов с достаточно высс плотностью, но при этом всегда следует считаться с необходимое транспортировки больших объёмов бумажной массы и увеличением э гозатрат на обезвоживание. Повышение концентрации массы при от. позволяет уменьшить длину сеточного стола, сократить расходы эне{ на обезвоживание и транспортировку, уменьшить габариты бассейн! трубопроводов, снизить нагрузку на очистную аппаратуру благо; уменьшению концентрации и объёмов сточных вод. При этом струю бумаги приобретает отчётливое третье измерение, становясь более лой, что облегчает прессование и сушку. Сопротивление раздирани расслаиванию у таких материалов выше, а разрывная длина неско1 ниже, чем у традиционных. При повышении концентрации бумая массы до 3 - 4% возрастает прочность волокнистой структуры как в < ёме, так и в плоском листе. Рост начальной концентрации при от. способствует формированию прочной трёхмерной структуры, кот< достаточно свободно отдаёт воду и допускает форсирование обе живающих нагрузок. Способность полотна, сформованного из массы вышенных концентрации, легко отдавать воду приводит к повыше сухости после прессования на 3 - 4% по сравнению с отливом при о< ных концентрациях.

Удерживаемость компонентов бумажной массы определяется лывающнми нагрузками отходящей воды. С ростом начальной конц рации уменьшается количество отходящей воды и возрастает взаимо ствие компонентов бумажной массы, поскольку значительно уменыш ся расстояния между частицами. Поэтому концентрация отходящих в районе начала отсасывающих ящиков, то есть при концентрации во нистого слоя на сетке 3 -4%, обычно на порядок ниже, чем в регистре части, несмотря на большие обезвоживающие нагрузки. Очевидно, при отливе массы при концентрации 3 - 4% концентрация отходящих будет столь же мала.

Главной проблемой формования бумаги из массы повышен концентраций является диспергирование волокна для получения пло го равномерного листа. Следует- отметить, что диспергирование пр ннтелыю к волокнистым системам с концентрацией выше критнчес то есть 0.1% и выше, не является процессом полной изоляции вол(

>уг от друга, то есть диспергированные волокнистые системы будут руктурированы. Однако взаимодействие структурных составляющих гдет сбалансированным. Это означает, что расстояния между волокнами диспергированной системе сохраняются примерно одинаковыми.

Расчёты показывают, что в идеальной модельной системе в ориен-рованном потоке эти расстояния составляют для концентрации 1% -:оло 0,3 мм, для концентрации 3-4% - 0,15-0,2 мм. В реальных условиях сстояния значительно меньше из-за гидратации и фибриллирования локон. Для приведённых расстояний силы взаимодействия дисперсных стиц должны быть достаточно велики. В то же время расстояния между стицами значительно больше энергетически выгодных, когда волокна носительно жёстко фиксируются в местах расположения энергетиче-их минимумов. Эти энергетически выгодные расстояния соизмеримы с аметром волокна, то есть имеют размеры порядка 0,03-0,05 мм. Поэто-' система со сбалансированным взаимодействием термодинамически и регативно неустойчива и через короткое время в случае прекращения йствия диспергирующих факторов распадается на флокулы. Это время я суспензий с концентрацией 3-4% составляет 0,001-0,003 с.

В связи с вышеизложенным, основным условием отлива из массы вышенной концентрации становится образование в напускном уст-йстве сравнительно равномерной волокнистой структуры из предвари-иьно диспергированной целлюлозной суспензии. Следовательно, на-скное устройство должно иметь участки разрушения первоначальной и здания новой, более равномерной структуры, причём на первом астке скорость движения массы должна быть выше, чем на втором.

Очевидно, что при концентрации 3-4% предотвратить флокуляцию возможно, но необходимо создать такие условия формования, чтобы кронеоднородности структуры были минимальными или, что практи-жи одно и то же, чтобы формуемое полотно бумаги представляло сон как бы агломерат хлопьев бесконечной длины в направлении хода шины и шириной, равной ширине машины. Отсюда ясно, что при от-ве из повышенных концентраций полотно ещё в напорном ящике нотняется до трёхмерной сетчатой структуры вместе с включенной в л-ему жидкостью. Таким образом, необходимо создавать относительно сокие усилия сдвига для образования новой сетчатой структуры. Как н>ко она образовалась, следует сразу прекратить действие разру-ющих сил. Из такой структуры, находящейся в сжатом состоянии, от-зается полотно [12, 25].

Основываясь на вышеприведённых теоретических положениях, а же на результатах обширных реологических исследований течения лажной массы в ротационном вискозиметре и каналах прямоугольного [ения, были рассчитаны параметры массопроводов для участка разру-

шения первоначальной структуры и участка создания новой, более рг номерной структуры [25]. Необходимые скорости движения массы, об< печившощие условия разрушения, а затем создания структуры доатт лись путём приложения к системе виброколебаний с различной вибу скоростью, зависящей от частоты и амплитуды колебаний. Оптимальн величина виброскорости зависит от концентрации бумажной массы, ви и степени разработки волокна. С использованием принципа наложен виброколебаний на волокнистую систему было сконструировано и исп тано несколько напускных устройств, пригодных к отливу бумажн массы повышенной концентрации [26,27].

В табл. 14 приведены результаты экспериментальной проверки с ного из вариантов напускных устройств, проведённой на лабораторн бумагоделательной машине «Пама». Объектом исследования была ( мажная масса из сульфитной белёной целлюлозы, размолотой до 25° 11 Концентрация при отливе с использованием экспериментального папу ного устройства составляла 2,9%, при обычном отливе из той же масс] 0,6%. Анализ результатов показывает, что, несмотря на достаточно р; номерную структуру образцов, полученных из массы повышенной к< центрации, прочность по основным показателям, за исключением соп] тивления раздиранию, ощутимо ниже, чем при контрольном отли Основная причина - увеличение доли волокон, ориентированных в ] правлении, отличном от горизонтального. Это косвенно подтверждав большей пухлостью бумаги из массы повышенной концентрации.

Таблица

Физико-механические показатели бумаги при различных режимах

виброобработки.

Концен- Масса Вибро- Плот- Неравно- Разрыв- Сопро- Сопро- Сог

трация 1м2, скорость, ность, ная дли- тивление тивление тнвл

при от- г • м/с г/см 3 мерности на, разди- изло- про

ливе, % .. просвета, % м ра-нию, г му, Ч.Д.П. пива К1

0,6 52 - 0,62 17 3650 26,2 48 8

19 53 0,334 0,46 24 2850 33,2 34 6

2,9 51 0,397 0,44 21 2950 30,8 35 6

2,9 52 0,462 0,45 21 3150 30,4 36 7

Процесс диспергирования волокон особенно усложняется при не ходимости оглива длинноволокнистой бумажной массы. Для предотв щения сильного хлопьеобразования в подобных системах требуется з чительное разбавление - до 0,015-0,020%, что приводит к большим рас дам воды и усложнению формующих частей бумагоделательных маш

овышение концентрации при отливе в этих условиях принципиально гтенсифицирует процесс производства, снижает энергозатраты на переливание бумажной массы, создаёт предпосылки для получения новых ггериалов из синтетических и искусственных волокон на традиционном юрудовании.

Флокуляция волокнистой массы, помимо прочих факторов, опреде-ется возможностью свободного перемещения волокон в системах, до-аточно концентрированных для образования флокул. Ограничение тем и иным способом свободы перемещения волокон способствует сниже-;Ю флокуляции. Так, при введении наполнителя бумажный лист стано-тся более равномерным благодаря разъединению волокон частицами полнителя. Значительно более эффективным для этих целей является пользование мелкодисперсных пен. В присутствии пены волокна не оникают внутрь пузырьков, а располагаются в межпузырьковом про-ранстае. Пузырьки пены, будучи равномерно распределены по всему ъёму суспензии, противодействуют агрегации волокон и обеспечивают необходимое распределение. На равномерность распределения воло-н большое влияние оказывает объёмное содержание воздуха в пене, ределяемое по формуле:

Уп- Уж

у=—*100%.

Уп

г V - объёмное содержание воздуха в пене, %; Уп - объём пенной сус-изии, мл; Уж - объём жидкой фазы в пене, мл.

Наиболее равномерное бумажное полотно может быть получено и объёмном содержании воздуха в пене около 55-75%. Этому диапазо-объёмного содержания воздуха в пене соответствует диаметр пузырь-з воздуха в пределах 20-100 мкм. Дисперсность пены определяется оп-шским методом путём известного увеличения и последующего расчёта шетра пузырьков. Для получения мелкодисперсной пены и дисперги-занного в ней волокна необходима специальная установка - пеногене-гор. В вертикальном цилиндре расположен рабочий узел, состоящий из гора и статора. Число оборотов ротора регулируется и одновременно улируется зазор между ротором и статором, за счёт чего создаётся не-содимое срезывающие усилие между вращающейся и неподвижной пью, результатом которого является получение пен с необходимой шерсностыо. Дисперсность пены связана с объёмным содержанием ;духа в пене и возрастает с увеличением содержания воздуха. Преобла-эщий размер пузырьков воздуха при этом уменьшается, а содержание нлрьков преобладающего размера увеличивается [28].

Для образования мелкодисперсных пен необходимо использован поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые при минимальных кс центрациях в растворе образуют пену необходимых характеристик. На более приемлемыми оказались анионактивные ПАВ, относящиеся к гр) пе алкилсульфонатов, которые при концентрации 1,0 - 1,5 г/л обеспе1! вают объёмное содержание воздуха в пене 67 - 70%. На рис. 31 показа! что для образования пены с нужными характеристиками достаточно 1 10 мин при 1500 - 2000 об/мин и зазоре 1 - 2 мм. Установлено, что изме! ние температуры и рН среды в допустимых пределах существеннс влияния на процесс не оказывает.

В табл. 15 приведены сравнительные оценки образцов бумаги, шм ченные на листоотливном аппарате «пенным» и традиционным способ! отлива. Характерно, что пенное формование снижает плотность обр, цов. Это связано с наличием трёхмерной пенной структуры при отли; что уменьшает количество волокон, ориентированных в плоскости лис а также с процессом связеобразования, интенсивность которого неско, ко снижается из-за наличия пузырьков воздуха между волокнами.

Таблица

Результаты лабораторного отлива в пенной среде и в традиционных

условиях.

Вид Целлюлозы Вид отлива Масса 1м2, г Плотность, г/см3 Неравномерность просвета, % Разрывна? длина, м Сопротивление излому, Ч.Д.П. Сопр< ■шелеп разящ 1ШЮ, N

Сульфатная небелёная Пенный Свес-0,5% Соб-0,2% 62 0,48 14 5900 2050 НОС

Хвойная 20°ШР Обычный Свес-0,2% 63 0,57 39 6200 2200 950

Сульфатная белёная Пенный Свес-0,5% Соб-0,2% 59 0,47 8 5530 1360 720

Хвойная 20°ШР Обычный Свес-0,2% 58 0,54 25 5700 1400 680

Снижение прочностных характеристик не столь значительно, 1 следовало бы ожидать в результате уменьшения плотности, поскол: компенсируется увеличением равномерности структуры. Специальны

^следованиями подтверждается, что введение в бумажную массу ПАВ без оздания пенной дисперсии не уменьшает, а даже несколько увеличивает рочность готовой бумаги (с 5800 м до 6300 м разрывной длины для сульфат-ой хвойной белёной целлюлозы, 25° ШР).

Пенный способ формования позволил получить также образцы бумаги з синтетических волокон длиной 4 мм и 12 мм при тех же концентрациях, то и для целлюлозных волокон, то есть значительно больших, чем при бычном способе отлива бумаги из синтетических волокон. Полученные об-азцы бумаги обладали значительно более равномерной структурой, чем поученные из водной среды [29^

Работы по исследованию пенных дисперсий легли в основу создания гендовой установки для непрерывного формования полотна из пенной сре-ы. С этой целью в потоке лабораторной машины «Пама» установлен пеноге-ератор ёмкостью 300 литров для получения пенных волокнистых суспензий требуемыми характеристиками. В стендовых условиях были получены об-азцы бумаги различного назначения. Высокая пористость и низкая объёмная асса производимых материалов способствовала получению некоторых видов ильтровальной бумаги. Полученные образцы с плотностью 0,2 - 0,25

см3 обладали фильтрационными характеристиками, сравнимыми с фильт-натсриалами, изготовленными с использованием мерсеризованной целлюло-

■I.

Бумага для реставрации старинных материалов массой 10 - 12 г/ м 2 на лгове хлопковых и вискозных волокон длиной б - 8 мм отличалась высокой шномерностью и удовлетворяла всем специальным требованиям. Её полу-:ние в условиях мокрого формования встречает значительные трудности. 1кже практически невозможно получение в традиционных условиях бумаги ! полиамидных волокон длиной 8-10 мм при массе 1м2 7,5 - 8,5 г, что лло осуществлено в условиях пенного формования. Получена бумага специ-ьного назначения из высокомодульных угленовых волокон массой 35 - 75 г/ 2 , которую также невозможно сформовать иным способом, различные ви-I бумаги на основе целлюлозных волокон массой 40 - 100 г/ м 2 .

Экологическая оценка процесса пенного формования показала, что >актически все отходящие воды, содержащие поверхностно-активные веще-ва, находятся в обороте. Некоторое количество ПАВ, попадающее в общие оки производства, никоим образом не создаёт концентраций, приближаются к предельно допустимым.

Таким образом, формование бумаги из пенных сред благодаря значи-пьному снижению расходов воды, возможностью производства ма-риалов из синтетических и искусственных волокон на традиционном

оборудовании, приданию бумаге специальных свойств, характер™ только для пенного формования, представляется весьма перспективным

Основные выводы

1. Путём термохимических, электрокинетических исследований получе! новые данные о процессе взаимодействия целлюлозы с водой. Усш влено, что экстремальные значения теплоты смачивания целлюло водой соответствуют точкам перегиба кривых развития прочности С маги. Предложена и подтверждена экспериментально гипотеза о в< никновении заряда на поверхности целлюлозы в результате ориентац диполей воды, сорбируемой на гидроксильных группах целлюлозы.

2. Сформулированы основные закономерности процесса флокуляции I локнистых систем и формирования макроструктуры бумажного лне Показано влияние длины волокна, его гидратации, электрокинети' ского потенциала на процесс флокуляции. Установлена роль разл! ных химических вспомогательных веществ, процессов папуаса и отлг в формировании макроструктуры бумажного листа..

3. Исследован процесс межволоконного связеобразования в широк диапазоне сухостей (от 0,1% до сухой бумаги). Экспериментально I лучена кривая развития прочности в процессе обезвоживания. Уста1 влено наличие критических точек на кривой сухость прочность (7-8 50-55%), связанных с фазовыми изменениями в полотне по мере об воживания.

4. Показана возможность использования для упрочнения бумаги гид] тропных веществ - нового класса вспомогательных веществ, спос< ствующих усилению гидратации волокон в процессе размола. Разра< таны рекомендации по использованию гидротропных веществ в про водстве бумаги.

5. В процессе исследования удерживаемости компонентов бумажной м сы на сетке бумагоделательной машины показана высокая эффект] ность новых флокулянтов - сополимеров эфиров целлюлозы и акри. мида. Флокулянты испытаны в различных видах продукции, опреде ны оптимальные дозировки, обеспечивающие высокую удерживаемо! компонентов при сохранении необходимого уровня равномерное макроструктуры.

6. Разработана технология многослойного отлива конкретных видов 1 маги и картона, в частности, картона для гладких слоев гофрокарго

коробочного картона, мешочной бумаги на плоскосеточных бумаге- и кар-тоноделательных машинах с верхними формующими устройствами. 7. Разработан новый метод подготовки исходных данных на модернизацию основного оборудования и созданию новых технологических потоков по производству бумаги и картона. По выданным исходным данным реализован ряд технических проектов по модернизации и созданию новых промышленных объектов, в частности, картоноделательная машина с длинным плоскосеточным столом и двумя верхними формующими устройствами на Светлогорском ЦБЗ (Белоруссия) - первая в отечественной практике, новая картоноделательная машина с верхним формующим устройством на ЦБК Цзяму-сы (Китай), другие объекты с общей экономической эффективностью более 2700 тыс. руб. в ценах 80-ых годов.

На основании реологических исследований определён уровень механического воздействия для получения устойчивой трёхмерной структуры бумажной массы с концентрацией 2,5 - 4,0%. Сформулированы основные принципы формования полотна из бумажной массы повышенной концентрации для конкретных видов продукции, i. Впервые исследованы свойства волокнистых суспензий в пенной среде. Установлено, что волокна в пенной среде располагаются в межпузырьковом пространстве и возможность их флокуляции практически исключена. Разработаны основы технологии формования бумаги в пенной среде. В лабораторных и стендовых условиях получены образцы различных видов продукции, в частности фильтровальных видов бумаги, бумаги для медицинских целей, реставрационной, электроизоляционной, различных видов бумаги специального назначения.

Основное содержание диссертации отражено в работах

. Смолин A.C. Будущее производства бумаги и картона - технологические и экологические производственные проблемы.// Международный симпозиум «Революция или эволюция. Экологически безопасный завод будущего в целлюлозно-бумажной промышленности»- Сб. материалов - Л., 1991 г.

. Аксельрод Г.З., Смолин A.C., Трухтенкова Н.Е., Фирсанова Н.Е. Термодинамическое исследование системы целлюлоза-вода.// Сб. трудов ВНИИБа/ -1973 -вып. 63-С. 59-68.

. Трухтенкова Н.Е., Смолин A.C. Межволоконное связеобразование как физико-химический процесс.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1973 - вып. 63 - С. 4 - 7.

. Трухтенкова ILE., Смолин A.C., Михайлова В.М. Об активации способности целлюлозных волокон к межволоконному связеобразованию воздействием растворителей.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1975 - вып. 68 - С. 12 - 17.

5. Шарков В.В., Амосов В.А., Смолин A.C., Михайлова В.М., Аксельрод Г Поведение целлюлозы в водных и водно-щелочных растворах гидротропн веществ.// Химия и технология бумаги: Межвуз. сб. научн. трудов, ЛТИЦБП/ - 1976 - вып. 4 - С. 155 - 162.

6. Амосов В.А., Смолин A.C., Аксельрод Г.З., Шапкина Л.Б., Михайлова В, К вопросу о взаимодействии целлюлозы с мочевиной.// Сб. трудов ВНИИ

- 1978-вып. 77-С. 27-30.

7. A.C. № 426009 СССР, МКИ D 21d 1/00 / Способ получения бумажной м сы./ A.C. Смолин, Н.Е. Трухтенкова, Н.Е. Фирсанова. (СССР) - 4с.: ил.

8. A.C. № 528366 СССР, МКИ D21H 3/70 / Способ приготовления бумаж! массы. / A.C. Смолин, В.А. Амосов, Б.И. Энтин, В.М. Михайлова и (СССР)-4с.: ил.

9. Аксельрод Г.З., Иванов М.А., Смолин A.C., Фомина M.JL, Ходырева Н.В природе электрокинетического потенциала целлюлозы.// Сб. трудов ВШ Ба/- 1973 -вып. 63 - С. 69-77.

10. Смолин A.C., Фомина M.JL, Теремецкая И.А. Влияние некоторых xapai ристик бумажной массы на просвет бумажного листа.// Сб. трудов ВНИИ

- 1979-вып. 78-С. 55-60

И. Пузырёв С.С., Савицкий Е.Е., Смолин A.C. Фомина M.JL Факторы, вли щие на просвет бумажного листа.// Химия и технология бумаги: Межвуз. научн. трудов - ЛТИЦБП/ - 1978 - вып. 6 - С. 116 - 121.

12. Смолин A.C., Аксельрод Г.З. Технология формования бумаги и картон М.: Лесная промышленность, 1984 - 120 с.

13. Подковырин А.И., Смолин A.C., Аксельрод Г.З. Современные напуск устройства. - М, ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1982 - 30 с.

14. Пузырёв С.С., Савицкий Е.Е., Смолин A.C., Фомина М. Л. Влияние нею рых добавок на просвет бумажного листа.// Химия и технология целлкш Межвуз. сб. научн. трудов - ЛТА/ - 1979 - вып. 6 - С. 52 - 57.

15. Лядова Н.В., Смолин A.C. Формирование макроструктуры бумажного . та на сеточном столе.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1984 - С. 16-20.

16. Смирнова Е.Г., Смолин A.C., Савицкий Е.Е. О прочности гидросуспенз] Сб. трудов ВНИИБа/- 1988 - С. 96-101.

17. Смирнова Е.Г., Смолин A.C. О прочности влажного бумажного полотн хвойной и лиственной целлюлозы.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1988 - С. 69 -

18. Белехова Л.Д., Кузнецова A.B., Лядова Н.В., Смолин A.C., Слуцкий Концентрация в напускном устройстве и процесс формования.// Сб. тр; ВНИИБа/ - 1982-С. 19-24.

19. Белехова Л.Д., Кузнецова A.B., Лядова Н.В., Смолин A.C. Слуцкий Швецов Ю.Н. Коэффициенты перехода в производстве бумаги и карте Химия и технология бумаги: Межвуз. сб. научн. трудов - ЛТА/ - 19819 - С. 80 - 84.

20. Подковырни Л.И., Смолин Л.С., Аксельрод Г.З. Формующие устройства для производства печатных видов бумаги. - М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1983 -30 с.

21. Белехова Л.Д., Лядова Н.В., Смолин A.C. Многослойное формование тарного картона.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1984 - С. 20 -26.

22. Кутушева Г.Ф., Смолин A.C. Многослойное формование мешочной бумаги.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1987 - С. 31 - 35.

23. Кутушева Г.Ф., Прохоров Г.В., Смолин A.C. Резервы повышения прочности мешочной бумаги.// Бумажная промышленность, - 1986 - № 9 - С. 25 -26.

24. A.C. № 1650840 СССР, МКИ D21H 27/10, 27/30//D21H 11:04 / Мешочная бумага. / A.C. Смолин, Г.Ф. Кутушева, П.И. Вангонсн.(СССР). Зс.: ил.

25. Савицкий Е.Е., Смолин A.C., Логинов А.И. Некоторые параметры массо-проводов, применительно к формованию из бумажной массы повышенной концентрации.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1978 - вып. 76 - С. 4 - 10.

26. A.C. № 1040012 СССР, МКИ D21F 1 / 02 / Напорный ящик для напуска на сетку бумагоделательной машины бумажной массы высокой концентрации./ A.C. Смолин, Е.Е. Савицкий, А.И. Логинов./ (СССР). 4с.: ил.

П. A.C. № 1063901 СССР, МКИ D21F 1 / 02 / Напорный ящик для напуска на сетку бумагоделательной машины бумажной массы высокой концентрации./ A.C. Смолин, Е.Е. Савицкий, А.И. Логинов и др./ (СССР). Зс.: ил.

»8. A.C. № 929766 СССР, МКИ D21F 1/00 / Пеногенератор./ A.C. Смолин, H.A. Зольников./ (СССР). 4с.: ил.

19. Зольников H.A., Смолин A.C., Козулина Т.И. «Пенный» Способ формования.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1982 - С. 9 - 13.

Лицензия ЛР № 020578 от 04.07.97.

Подписано в печать с оригинал-макета 02.11.99. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 4,0. Печ. л. 3,5. Тираж 100 экз. Заказ №214. С 24а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфпческий отдел СПбЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3

Основные выводы

1. Путём термохимических, электрокинетических исследований получены новые данные о процессе взаимодействия целлюлозы с водой. Установлено, что экстремальные значения теплоты смачивания целлюлозы водой соответствуют точкам перегиба кривых развития прочности бумаги. Предложена й подтверждена экспериментально гипотеза о возникновении заряда на поверхности целлюлозы в результате ориентации диполей воды, сорбируемой на гидроксильных группах целлюлозы.

2. Сформулированы основные закономерности процесса флокудяцииво-локнйетйх систем и формирования макроструктуры бумажного листа. Показано влияние длины волокна, его гидратации, электрокинетического потенциала на процесс флокуляции. Установлена роль различных химических вспомогательных веществ; процессов напуска и отлива в формировании макроструктуры бумажного листа.

3. Исследован процесс межволоконного связеобразования в широком диапазоне сухостей (от 0,1% до сухой бумаги). Экспериментально получена кривая развития прочности в процессе обезвоживания. Установлено наличие критических точек на кривой сухость прочность (7-8%; 50-55%), связанных с фазовыми изменениями в полотне по мере обезвоживания. V

4. Показана возможность использования для упрочнения бумаги гидро-тропных веществ - нового класса вспомогательных веществ, способствующих усилению гидратации волокон в процессе размола. Разработаны рекомендации по использованию гидротропных веществ в производстве бумаги.

5. В процессе исследования удержйваемрсти компонентов бумажной массы на сетке бумагоделательной машины показана высокая эффективность новых флокулянтов - сополимеров эфиров целлюлозы и акрила-мида. Флокулянты испытаны в различных видах продукции, определены оптимальные дозировки, обеспечивающие высокую удерживаемость компонентов при сохранении необходимого уровня равномерности макроструктуры.

6. Разработана технология многослойного отлива конкретных видов бумаги и картона, в частности, картона для гладких слоёв гофрокартона, й коробочного картона, мешочной бумаги на плоскосеточных бумаго- и кар-тоноделательных машинах с верхними формующими устройствами.

7. Разработан новый метод подготовки Исходных данных на модернизацию основного оборудования и созданию новых технологических потоков по производству бумаги и картона. По выданным исходным данным реализован ряд технических проектов по модернизации и созданию новых промышленных объектов, в частности, картоноделательная машина с длинным плоскосеточным столом и двумя верхними формующими устройствами на Светлогорском ЦБЗ (Белоруссия) - первая в отечественной практике, новая картоноделательная машина с верхним формующим устройством на ЦБК Цзяму-сы (Китай), другие объекты с общей экономической эффективностью более 2700 тыс. руб. в ценах 80-ых годов.

8. На основании реологических исследований определён уровень механического воздействия для получения устойчивой трёхмерной структуры бумажной массы с концентрацией 2,5 - 4,0%. Сформулированы основные принципы формования полотна из бумажной массы повышенной концентрации для конкретных видов продукции.

9. Впервые исследованы свойства волокнистых суспензий в пенной среде. Установлено, что волокна в пенной среде располагаются в межпузырьковом пространстве и Возможность их флокуляции практически исключена. Разработаны основы технологии формования бумаги в пенной среде. В лабораторных и стендовых условиях получены образцы различных видов продукции, в частности фильтровальных видов бумаги, бумаги для медицинских целей, реставрационной, электроизоляционной, различных видов бумаги специального назначения.

Основное содержание диссертации отражено в работах

1. Смолин A.C. Будущее производства бумаги и картона - технологические и экологические производственные проблемы.// Международный симпозиум «Революция или эволюция. Экологически безопасный завод будущего в целлюлозно-бумажной промышленности»- Сб. материалов - Л., 1991 г.

2. Аксельрод Г.З., Смолин A.C., Трухтенкова H.É., Фирсанова Н.Е. Термодинамическое исследование системы целлюлоза-вода.// Сб. трудов ВНИИБа/ -1973-вып. 63-С. 59-68,

3. Трухтенкова Н.Е., Смолин A.C. Межволоконное связеобразование как физико-химический процесс.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1973 - вып. 63 - С. 4 - 7.

4. Трухтенкова Н.Е., Смолин A.C., Михайлова В.М. Об активации способности целлюлозных волокон к межволоконному связеобразованию воздействием растворителей.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1975 - вып. 68 - С. 12 - 17.

5. Шарков В В., Амосов В.А., Смолин A.C., Михайлова В.М., Аксельрод Г.З. Поведение целлюлозы в водных и водно-щелочных растворах гидротропных веществ.// Химия и технология бумаги: Межвуз. сб. научн. трудов/ -ДТИЦБП7 - 1976 - ;вый: 4 - С. 155 - 162.

6. Амосов В.А., Смолин A.C., Аксельрод Г.З., Шашсина Л.Б., Михайлова В.М. К вопросу о взаимодействии целлюлозы с мочевиной.// Сб. трудов ВЫИИБ

- 1978-вып. 77-С. 27-30.

7. A.C. № 426009 СССР, МКИ D 21d 1/00 / Способ получения бумажной мае сы./ A.C. Смолин, Н.Е. Трухтенкова, Н.Е. Фирсанова. (СССР) - 4с.: ил.

8. A.C. № 528366 СССР, МКИ D2111 3/70 / Способ приготовления бумажно" массы. / A.C. Смолин, В.А. Амосов, Б.И. Энтин, В.М. Михайлова и др. (СССР)-4с.: ил.

9. Аксельрод Г.З., Иванов М.А., Смолин A.C., Фомина М.Л., Ходырева Н.В. природеэлектрокинетического потенциала целлюлозы.// Сб. трудов ВНШ Ба/ - 1973 - вып. 63 - С. 69 - 77.

10. Смолин A.C., Фомина M.JL, Теремецкая И.А. Влияние некоторых характе ристик бумажной массы на просвет бумажного листа.// Сб. трудов ВНИИБ

- 1979- вып. 78 -С. 55-60

И. Пузырёв С.С., Савицкий Е.Е., Смолин A.C. Фомина М.Л. Факторы, влияю щие на просвет бумажного листа.// Химия и технология бумаги: Межвуз. сб научн. трудов-ЛТИЦБП/- 1978 -вып. 6 - С, 116 -121.

12. Смолин A.C., Аксельрод Г.З. Технология формования бумаги и картона. М.: Лесная промышленность, 1984 - 120 с.

13. Подковырин А.И., Смолин A.C., Аксельрод Г.З. Современные напускны устройства. - М., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1982 - 30 с.

14. Пузырёв С.С., Савицкий Е.Е., Смолин A.C., Фомина М. Л. Влияние некото рых добавок на просвет бумажного листа.// Химия и технология целлюлозы Межвуз. сб. научн. трудов - ЛТА/ - 1979 - вып. 6 - С. 52-57.

15. Лядова Н.В., Смолин A.C. Формирование макроструктуры бумажного лис та на сеточном столе.// Сб. трудов ВНИИБа/ -1984 - С. 16 - 20.

16. Смирнова Е.Г., Смолин A.C., Савицкий Е.Е. О прочности гидросуспензий./ Сб. трудов ВНИИБа/- 1988 - С. 96 - 101.

17. Смирнова Е.Г., Смолин A.C. О прочности влажного бумажного полотна и хвойной и лиственной целлюлозы.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1988 - С. 69 - 75.

18. Белехова Л.Д., Кузнецова A.B., Лядова Н.В., Смолин A.C., Слуцкий А.Е Концентрация в напускном устройстве и процесс формования.// Сб. трудо ВНИИБа/- 1982- С. 19 - 24.

19. Белехова Л.Д., Кузнецова A.B., Лядова Н.В., Смолин A.C. Слуцкий А.Е Швецов Ю.Н. Коэффициенты перехода в производстве бумаги и картона./ Химия и технология бумаги: Межвуз. сб. научн. трудов - ЛТА/ - 1981- вып 9-С. 80-84.

20. Подковырян А.И., Смолин A.C., Аксельрод Г.З. Формующие устройства для производства печатных видов бумаги. - М.: IЩНТИХИМНЕФТЕМАIII, 1983-30 с.

21^^?ехова Я.|ЛЕ1ядова Н.В., Смолин A.C. Многослойное формование тар-Жо картона.^Гб. трудов ВНИИБа/ - 1984 - С. 20 -26.

22. Кутушева Г.Ф., Смолин A.C. Многослойное формование мешочной бумаги.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1987 - С. 31 - 35.

23. Кутушева Г.Ф., Прохоров Г.В., Смолин A.C. Резервы повышения прочности мешочной бумаги.// Бумажная промышленность, - 1986 - № 9 - С. 25

24. A.C. № 1650840 СССР, МКИ D21H 27/10, 27/30//D21H 11:04 / Мешочная бумага. / A.C. Смолин, Г.Ф. Кутушева, П.И. Вангонен.(СССР). Зс.: ил.

25. Савицкий Е.Е., Смолин A.C., Логинов А.И. Некоторые параметры массо-проводов, применительно к формованию из бумажной массы повышенной концентрации.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1978 - вып. 76 - С. 4 - 10.

26. A.C. № 1040012 СССР, МКИ D21F 1 / 02 / Напорный ящик для напуска на сетку бумагоделательной машины бумажной массы высокой концентрации./ A.C. Смолин, Е.Е. Савицкий, А.И. Логинов./ (СССР). 4с.: ил.

27. A.C. № 1063901 СССР, МКИ D21F 1 / 02 / Напорный ящик для напуска на сетку бумагоделательной машины бумажной массы высокой концентрации./ A.C. Смолин, Е.Е. Савицкий, А.И. Логинов и др./ (СССР). Зс.: ил.

СССР, МКИ D21F 1/00 / Пеногенератор./ A.C. Смолин, H.A. ЗИьников./ (^£СР). 4с.: ил.

29. Зольников H.A., Смолин A.C., Козулина Т.И. «Пенный» Способ формования.// Сб. трудов ВНИИБа/ - 1982 - С. 9 - 13.

Подписано в печать с оригинал-макета 02.11.99. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 4,0. Печ. л. 3,5. Тираж 100 экз. Заказ № 214. С 24а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издатепьско-полиграфический отдел СШЛТА 194021, Санкт-Петербург, Инстшутский пер., 3

26.

Лицеем ЛР № 020578 от 04.07.97. I