автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Повышение механической прочности макулатурной бумаги для гофрирования добавками минеральных пигментов

На правах рукописи

(ff

Евсеев Михаил Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МАКУЛАТУРНОЙ БУМАГИ ДЛЯ ГОФРИРОВАНИЯ ДОБАВКАМИ МИНЕРАЛЬНЫХ ПИГМЕНТОВ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Макаренко A.A.

005546477

Красноярск - 2014

2 7 MAP 20U

\

005546477

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Украинский научно-исследовательский институт бумаги», г. Киев

Научный руководитель:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Макаренко Анатолий Алексеевич

Официальные оппоненты:

Смолин Александр Семенович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологии бумаги и картона» ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров»

Канарский Альберт Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры пищевой биотехнологии, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Ведущая организация: ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт целлюлозно-бумажной промышленности», (ОАО ВНИИБ), г. Санкт-Петербург, 2-й Муринский пр., д.49

Защита диссертации состоится «16» мая 2014 г. в 10.00 ч, на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, проспект Мира, 82, аудитория Ц-110 (зал заседаний).

Отзывы (в двух экземплярах) с заверенными подписями и печатью просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, пр-т Мира, 82, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет», диссертационный совет Д 212.253.01, ученому секретарю. E-mail: dissovetsibgtu01@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет»

Автореферат разослан «

2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

и

Исаева Елена Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном производстве и потреблении картонно-бумажной продукции наиболее динамично развивается тароупаковочный макулатурный ассортимент с высокими показателями прочности и жесткости для транспортирования и хранения пищевой, сельскохозяйственной и промышленной продукции. Одним из конструкционных элементов гофрированной тары является бумага для гофрирования, которая должна иметь высокие показатели механической прочности и жесткости. Повышение механической прочности возможно за счет увеличения числа связей между волокнами и эту задачу наиболее экономически выгодно и эффективно решают добавками в массу химических связующих веществ.

Перспективными добавками в волокнистую массу при производстве бумаги могут быть минеральные пигменты. В отличие от органических связующих веществ, минеральные пигменты не подвержены микробиологическому разложению в технологическом потоке, в высокой степени удерживаются волокном и изменяют капиллярно-пористую структуру бумаги, а, следовательно, могут активно влиять на физико-механические показатели бумаги.

В литературе отсутствует системный анализ и исследования по применению новых широко известных как красители минеральных пигментов - умбра, охра, цеолит, сапонит и силевит в производстве бумаги и картона в качестве упрочняющих средств. Учитывая большие запасы минеральных пигментов, низкую стоимость и перспективность полезного использования также в производстве бумаги, представлялось целесообразным провести расширенные исследования по установлению эффективности минеральных пигментов, в качестве добавок к макулатурному волокну, улучшающих качество бумажной массы и механическую прочность бумаги для гофрирования.

Объективным подтверждением актуальности, новизны и практической ценности диссертационного исследования для промышленности является то, что оно выполнено в рамках приоритетной государственной программы научных разработок по теме "Разработать и освоить технологию производства тароупаковочных видов бумаги и картона с повышенными показателями качества за счет использования в композиции отечественных минеральных добавок". Работа выполнялась по заданию Министерства промышленной политики Украины № 320 д-05 от 20 мая 2005 г. (договор № Н 024-08 от 01.04.08 г. между Министерством промышленной политики Украины и ОАО «Украинский научно-исследовательский институт бумаги»).

Предмет исследования. Предметом исследования являются закономерности влияния минеральных пигментов на физико-механические показатели макулатурной бумаги для гофрирования.

Объект исследования. Объектом исследования является макулатура, макулатурная бумага для гофрирования, основные процессы технологии бумаги, минеральные пигменты и флокулянт компонентов бумажной массы.

Цель и задачи исследования. Целью диссертации явилось экспериментальное обоснование улучшения свойств макулатурной бумажной массы и повышения механической прочности бумаги для гофрирования из нее с помощью добавок минеральных пигментов умбра, охра, цеолит, силевит и сапонит.

Для достижения цели диссертации были определены и решены задачи:

- провести анализ свойств и выбор минеральных пигментов для использования в композиции макулатурного волокна в качестве добавок, повышающих качество массы и механические свойства бумаги;

- исследовать влияние добавок минеральных пигментов на свойства макулатурной массы;

- исследовать влияние добавок минеральных пигментов на физико-механические показатели бумаги для гофрирования;

- исследовать влияние добавок минеральных пигментов на воздухопроницаемость и капиллярную впитываемость бумаги и содержание в ней тяжелых металлов;

- исследовать зависимость свойств крахмального клея и прочности склейки гофрированного картона от содержания минеральных пигментов;

- применить результаты диссертационного исследования для совершенствования технологии повышения механических показателей бумаги для гофрирования;

- провести опытно-промышленные исследования эффективности минеральных пигментов в технологии бумаги для гофрирования;

- оценить экономическую эффективность использования результатов диссертации в производстве бумаги для гофрирования.

Научная новизна. Автором впервые получены следующие научные результаты:

- показано, что добавленные в макулатурную массу в количестве 0,2-0,3 % минеральные пигменты умбра, охра или сапонит оказывают микрофлокулирующее действие на фракции волокна в массе до 1,0 мм (0-0,4 и 0,4-1,0 мм), обнаруживаемое приростом массовой доли фракций на 1-2 % и зольности фракций на 3,5-4,0 %;

- установлено, что пигменты охра, умбра и силевит при добавках 0,2-0,3 % в макулатурную массу со степенью помола 38 °ШР повышают физико-механические показатели бумаги для гофрирования, имея общую закономерность - наличие максимумов значений показателей как функции вида и количества добавленного пигмента, отражающих связь микрофлоккулирующей способности с химическим составом, строением и дисперсностью пигмента;

- найдены общие интервалы и закономерность увеличения показателей прочности и жесткости бумаги для гофрирования индивидуально пигментами охра, умбра и силевит при добавках 0,2-0,3 % в макулатурную массу со степенью помола 38 °ШР: удельное сопротивление разрыву и абсолютное сопротивление продавливанию, при общем повышении на 7-15 %, увеличиваются в ряду «силевит-умбра-охра»; сопротивление плоскостному сжатию бумаги, имея повышение 4-8 %, также увеличивается в ряду «силевит-умбра-охра»; сопротивление торцевому сжатию, при общем увеличении 12-19 %, увеличивается в ряду «силевит-охра-умбра»;

- определена закономерность влияния степени помола макулатурной массы в интервале 32-52 °ШР на повышение физико-механических показателей бумаги для гофрирования при постоянных добавках в массу пигмента умбра 0,3 % и полиоксихло-рида алюминия (ПОХА) 0,5 %: повышение величины показателей индивидуально, а пределы повышения попадают в интервал 12-58 %; наибольший вклад в увеличение показателей вносит степень помола - до 50 %, пигмент умбра добавляет 25 % и 25 % приходится на ПОХА;

- установлена закономерность влияния добавки в макулатурную массу 0,2-0,3 % пигментов умбра или охра и 0,5 % ПОХА на удержание мелких фракций волокна в бумаге и содержание взвешенных веществ в подсеточной воде: индивидуально пигменты повышают удержание мелких компонентов массы на 1-2 %, а совместно с ПОХА это повышение достигает 4-5 %; содержание взвешенных веществ в воде только с участием пигмента снижается на 8 %, в сочетании с ПОХА имеет место понижение в 4 раза.

Практическая ценность. Ценные для использования результаты:

- экспериментально обоснованный выбор пигмента умбра и его количества (0,20,3 % от массы абсолютно сухого волокна) для добавки в макулатурную массу совместно с 0,5 % ПОХА для повышения удержания мелких фракций волокна (4-5 % или 40-50 кг/т бумаги) и увеличения физико-механических показателей бумаги для гофрирования;

- установленное соотношение величины факторов - степень помола макулатурной массы (32-52 °ШР), добавка в массу пигмента умбра (0,2-0,3 % или 3 кг/т) и расход ПОХА (0,5 % или 5 кг/т) для обеспечения производства бумагу для гофрирования высших марок Б-2 и Б-1 по ГОСТ 7377-85 (Украина);

- усовершенствованная промышленная технологическая схема и технология подготовки макулатурной массы для производства бумаги для гофрирования на Моквинской бумажной фабрике, включающая новые решения в соответствии с результатами диссертации исследования и внедренные с экономическим эффектом 19,6 млн. руб.;

- результаты диссертационной работы рекомендуется использовать научным и инженерно-техническим работникам, а также аспирантам и студентам промышленных предприятий, научных и учебных организаций.

Положения, выносимые на защиту: В рамках специальности 05.21.03-Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины (п.6 - Химия и технология бумаги и картона) на защиту выносятся:

1. Обоснование выбора минеральных пигментов умбра, охра, силевит и сапонит для применения в качестве добавок, повышающих качество макулатурной бумажной массы, физико-механические показатели бумаги для гофрирования и экономическую эффективность производства.

2. Экспериментальные данные о влиянии различных минеральных пигментов на качество макулатурной массы.

3. Зависимости влияния различных минеральных пигментов на физико-механические свойства бумаги для гофрирования.

4. Экспериментальные закономерности влияния минеральных пигментов на санитарно-гигиенические свойства бумаги для гофрирования.

5. Закономерности влияния минеральных наполнителей на склеивающую способность крахмального клея.

6. Результаты опытно-промышленных испытаний эффективности минеральных наполнителей в технологии бумаги для гофрирования.

7. Технические и технологические решения для обеспечения стабильного качества флютинга и эффективной работы производства, на основе результатов диссертационных исследований.

8. Анализ экономической эффективности использования результатов диссертационного исследования в производстве бумаги для гофрирования.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах: "Качество и безопасность бумаги, картона и тары в соответствии с требованиями Украины и ВТО", Киев, 2008 г.; «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья», Барнаул, 2009, 2012 г.г.; «Современное оборудование и технологии изготовления бумажно-картонной продукции из макулатурного сырья. Производство гофрокартона и изготовление тары », Караваево, 2012 г.; «Химические процессы современной технологии ЦБП», Санкт-Петербург, 2012 г.; XIV International symposium in the fîeld of pulp Paper, Packaging and graphies, Сербия, Златибор, 2012.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12-ти научных трудах, в т. ч. в журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, опубликовано 2 научные статьи, 2 научные статьи в журналах Украины, 6 статей - в материалах конференций и получено 2 патента Украины.

Опытно-промышленные испытания и технико-экономическая оценка. Результаты диссертационного исследования использованы для совершенствования промышленной технологической схемы и технологии производства макулатурной бумаги

для гофрирования на Моквинской бумажной фабрике (п. Моквин, Украина). Опытно-промышленные испытания схемы и технологии подтвердили эффективное повышение механических показателей бумаги для гофрирования при добавках минерального пигмента в массу. Экономический эффект от внедрения составляет 19,6 млн. руб. Акт испытаний и акт внедрения прилагаются.

Вклад автора. Автором сформулирована цель и определены задачи работы. Выполнены экспериментальные исследования, обработаны результаты, объяснены полученные закономерности. Определены научная новизна, практическая ценность и сформулированы общие выводы. Спланированы и проведены опытно-промышленные испытания и внедрение минеральных пигментов в технологии бумаги для гофрирования. Даны рекомендации по использованию результатов исследований в производстве и проведена технико-экономическая оценка использования результатов диссертационного исследования в производстве бумаги для гофрирования.

Обоснованность и достоверность результатов и выводов. Обоснованность и достоверность результатов работы и выводов по работе базируется на применении современных исследований - методов, методик, приборов и оборудования, применении обработки данных методами математической статистики, выполнении достаточного числа исследований с использованием аккредитованных лабораторий, поверенных приборов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав: обзора литературы; методической части; экспериментальной части, состоящей из 11-ти разделов; общих выводов; 3-х приложений, библиографического списка первоисточников, включающего 144 наименования. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста, включая 33 таблицы и 13 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность повышения физико-механических показателей макулатурной бумаги для гофрирования минеральными пигментами, поставлена цель и задачи диссертационного исследования, сформулирована научная новизна и практическая значимость, изложены положения, выносимые на защиту и личный вклад соискателя.

В первой главе - аналитическом обзоре литературы, проведен критический анализ литературных источников по влиянию основных факторов технологии на физико-механические показатели макулатурной бумаги для гофрирования с участием добавок химических веществ, включая минеральные наполнители и пигменты. Приведены сведения относительно целесообразных уровней наполнения бумаги, об удержании наполнителей в структуре волокнистого полотна, о способах повышения удержания наполнителей в бумаге. Установлено, что в литературе практически отсутствуют данные относительно влияния минеральных пигментов охра, умбра, сапонит, силевит, цеолит на качество макулатурной массы и механическую прочность бумаги. Так как добавки минеральных пигментов в количествах свыше 0,5 % могут подобно наполнителям оказывать отрицательное влияние на прочность бумаги, то особенный интерес представляли сведения о влиянии пигментов при низких расходах - от 0,1 до 0,3 % на 1 т бумаги.

Сделаны выводы о целесообразности расширенных исследований малоизученных новых минеральных пигментов для повышения качества макулатурной массы и физико-механических показателей бумаги для гофрирования.

Во второй главе - методической части, даны характеристики материалов и методик, использованных в работе. Объектами исследований стали макулатура марки МС-5Б, как основное волокнистое сырье для производства бумаги для гофрирования и ряд новых природных пигментов из месторождений Украины - охра, умбра, сапонит,

силевит, цеолит. Приведены стандартные методики определения влияния пигментов на показатели качества макулатурной массы и бумаги для гофрирования определяли с помощью стандартных методик. Помещена оригинальная методика для определения качества макулатурной массы и эффективности работы оборудования в технологическом потоке изложена полностью.

В третьей главе - экспериментальной части, состоящей из 11-ти разделов, рассмотрены основные результаты диссертационного исследования.

3.1 Требования к качеству макулатурной бумаги для гофрирования, анализ технологии и качества бумаги Моквииской бумажной фабрики для совершенствования технологии на основе использования минеральных пигментов. Анализ требований к качеству бумаги для гофрирования. Сравнение значений физико-механических показателей бумаги для гофрирования для исследований важно тем, что позволяет установить увеличение физико-механических показателей добавками минерального пигмента и оценить возможность получения с помощью их бумаги высших марок Б-2 и Б-1. Требования к качеству бумаги для гофрирования установлены ГОСТ 7377-85. Сравнивая минимальные значения показателей различных марок при одной и той же массе 1 м2 бумаги, например, 112 г/м2, можно видеть, что между низшей маркой Б-3 и высшей Б-0 имеется большая разность. Наличие ряда марок бумаги для гофрирования с разной массой 1 м2, отличающихся значительной разницей нормируемых показателей, дает возможность решать задачи производства бумаги высших марок Б-2 и Б-1. И это возможно за счет повышения качества макулатурной массы добавкой минеральных пигментов.

Анализ технологии и качества макулатурной бумаги для гофрирования Моквин-ской бумажной фабрики. Для установления реальной величины механической прочности макулатурной бумаги для гофрирования и технической возможности решать задачу производства бумаги по нормам ГОСТ 7377-85, на Моквинской бумажной фабрике проведено обследование технологии. Установлено, что в силу изношенности оборудования и постоянной тенденции к ухудшению свойств макулатуры, технологическая схема и технология не может выполнить задачу подготовки макулатурной бумажной массы для производства бумаги для гофрирования по ГОСТ 7377-85 ни одной из марок.

По данным анализа были даны рекомендации по увеличению концентрации массы при роспуске макулатуры с 2,5 до 3,5 %, по повышению степени роспуска макулатуры с 93-95 до 98-99 % и увеличению степени помола массы с 23-25 до 28-32 °ШР. Учет рекомендаций в технологии позволил получить бумагу для гофрирования по ГОСТ 7377-85 марки Б-3, физико-механические показатели ее стали исходными для сравнения эффективности минеральных пигментов в диссертационном исследовании.

Анализ свойств и выбор минеральных пигментов для добавок в макулатурное волокно с целью повышения качества бумажной массы и механических показателей бумаги для гофрирования. Средством достижения цели диссертации автор выбрал добавки в макулатурную массу природных минеральных пигментов - охра, умбра, силевит, сапонит и цеолит в количестве 0,1-0,3 % от массы а.с. волокна. Основные свойства пигментов представлены в таблице 1.

В производстве бумаги для гофрирования, являющейся конструкционным элементом внутренней структуры гофрированного листа, важны только те свойства пигментов, которые могут влиять на прочность и жесткость бумаги. Поэтому в основу выбора пигментов для диссертационного исследования были положены следующие основные показатели пигментов: химический состав, дисперсность, укрывистость. Пигменты являются высокодисперсными порошками с различными цветовыми оттенками. Что касается химического состава, то все они содержат, подобно широко используемому каолину, оксид алюминия и оксид кремния. Отличием является высокое содержание

s

иных оксидов, придающих минералам специфические свойства - дополнительные поверхностные функциональные группы, повышенную адсорбционную способность, цветность, большую свободную поверхностную энергию. Кроме того, на поверхности пигментов всегда находятся связанные и свободные гидроксильные группы, которые участвуют в сложных адсорбционных процессах в системе «волокно-вода-пигмент».

Таблица 1 - Основные физические и физико-химические свойства пигментов

Свойства Наименование пигмента

пигмента каолин сапонит охра умбра силевит цеолит

светло- зеленый

белый желтый корич- светло-

Цвет белый корчнево- средне- невый серый серый

красныи желтый

золотисто-

желтыи

ЭЮ2 БЮ2 БЮз Si02 Si02 БЮг

43-52 10-60 5-47 20-34 66 '69-74

А1203 А12Оз А1203 А12Оз А1203 А12Оз

34- 42 7- 15 2-18 2-7 18 13- 15

Ре203 Ре203 Fe203 Ре203

Химический 15- 40 12-75 25-40 0,6-1,8

состав, %

СаО СаО СаО

0-2,9 4,0 1,0-2,7

МёО MgO МёО

0-4 12 8-12

ТЮ2

1-1,4

Мп203 -

6-16

Н20 Н20 Н20

12-15 4,0 4,0

Размер частиц, мк 0,5-1,0 2,0-20,0 0,5-5,0 1,0-5,0 1,5-4,0 4,0-20

Плотность, г/см3 2,5-2,7 2,1-3,0 2,6-3,2 2,7-3,4 2,5-3,4 1,7-2,1

Укрывистость, г/м2 65-70 60-75 60-85 50-75 50-60 50-60

Коэффициент 1,56 1,53 1,57 1,61 1,49 1,50

преломления света

Свойства и особенности рассмотренных пигментов позволяют применить их для улучшения качества макулатурной массы, повышения механической прочности бумаги для гофрирования и улучшения экономики производства.

3.2 Исследование влияния неорганических пигментов на свойства макулатурной массы. Исследование влияния пигментов на остаток волокнистой массы при

сортировании на ситах. Задачей было изучение влияния пигментов при расходах 0,2 и 0,3 % (2 и 3 кг/т) от массы абсолютно сухого волокна на сортирование массы. Степень помола массы 27 °ШР. В массу вводили пигменты умбра и охра. Процесс осуществлялся в двух вариантах - без применения флокулянта полиоксихлорида алюминия (ПОХА - технический продукт «Полвак») и с ним. Сортирование проводилось на установке УСР, на ситах №1 (диаметр отверстий 1 мм) и №2 (диаметр отверстий 2 мм). В исследовании влияние пигментов оценивалось по количеству остатков массы на ситах.

При добавках минеральных пигментов умбра и охра в макулатурную массу 0,20,3 % к массе абсолютно сухого волокна (2-3 кг/т), наблюдается слабая флокуляция массы. Она выражается в повышении удержания массы на сетке с отверстиями 1 мм до 2 %. Однако повышение в 2 %, в пересчете на 1 т производимой бумаги, составит 20 кг экономии макулатурного волокна. Кроме того, добавка пигмента 2-3 кг/т экономит примерно такое же количество волокна. Итого, экономия волокна может составить 2223 кг/т бумаги. Добавку минерального пигмента умбра или охра целесообразно применять совместно с флокулянтом ПОХА. Данный прием позволит повысить удержание волокна и пигмента до 4-5 %, что составляет 40-50 кг волокна на 1 т бумаги.

Результаты экспериментов позволяют обоснованно отнести пигменты - умбру, охру и цеолит, к слабым флоккулирующим химическим добавкам и объяснить положительное влияние на качество макулатурной массы.

Исследование влияния пигментов и полиоксихлорида алюминия на состав фракций макулатурной массы по длине волокна. В данных экспериментах ставилась задача изучить влияние минеральных пигментов умбра, сапонит и ПОХА на фракционный состав массы по длине волокна. Исследование образцов бумаги, содержащих добавки химикатов, проводились на анализаторе волокна «Kajaani FS 100». Экспериментальные данные показали, что_пигменты умбра, сапонит и ПОХА влияют на фракционный состав макулатурной массы - повышается содержание фракции 0,4 мм, примерно, на 12% и фракции 0,4-1,0 мм, на 2-3 %. Суммарный прирост фракции волокна до 1 мм (сумма фракции 0,4 мм и 0,4-1,0 мм) составляет около 5 %.

Установленное влияние можно объяснить следующим образом. По длине волокна макулатурная масса является полидисперсной, с преобладанием фракций волокна короткого и средней длины. В коротковолокнистую фракцию всегда отсортировывается весь спектр частиц волокнистого происхождения - от «0» волокна до 0,4 мм. Фракция частиц от «0» волокна до 0,2 мм, по современным представлениям, не является волокном, а относится к так называемым «анионным загрязнениям». Они существенно ухудшают свойства массы и заметно понижают механические показатели бумаги.

Добавленные в массу пигменты умбра или сапонит, являясь слабыми флокулян-тами, преимущественно флоккулируют мелкие волокнистые фрагменты массы в флоккулы «пигмент-волокно». Эти флоккулы обнаруживаются прибором «Kajaani FS 100» и за счет их возрастает доля фракции волокна 0-4 мм на 1-2 %. Увеличение доли мелкого волокна за счет флоккул «пигмент-волокно» подтверждает адсорбционный механизм взаимодействия пигментов с волокном. Адсорбция является положительным явлением, приводящим к повышению удержания мелкого волокна, ускорению обезвоживания, уменьшению уплотнения бумаги при формовании на машине, ускорению контактной сушки полотна.

Исследование влияния пигментов на зольность макулатурной массы. Исследована зольность фракций макулатурной массы: 0-0,4; 0,4-1,0; 1,0-2; 02,0-4,0 мм. Экспериментами установлено, что нефракционированная макулатурная масса имеет зольность 2,3 %, обуславливаемая зольностью волокна. Добавки к этой массе минеральных пигментов умбра и сапонит в количестве 0,2 % от массы абсолютно сухого волокна повышают зольность, соответственно, до 6,6 и 5,9 % (прирост примерно на 3,5 и 4,1 %).

Повышение зольности обнаружилось только у фракций массы до 1,0 мм (0-0,4; 0,4-1,0). Таким образом, подтверждается прирост фракций только мелкого волокна, который объясняется адсорбционным механизмом образования микрофлоккул «пигмент-волокно» в бумажной массе.

3.3 Исследование влияния добавки минерального пигмента, полиоксихлор-ида алюминия и помола макулатурной массы на механические показатели бумаги для гофрирования. Исследование влияния вида и расхода минеральных пигментов на физико-механические свойства макулатурной бумаги для гофрирования. Проведены лабораторные эксперименты с добавками пигмента охра, умбра или силевит в макулатурную массу. Особое внимание обращено на выбор степени помола макулатурной массы, так как она в наибольшей степени влияет на физико-механические показатели бумаги. Степень помола массы была 38 °ШР.

Закономерности влияния пигментов на сопротивление продавливанию и плоскостному сжатию бумаги для гофрирования представлены на рисунках 1-2, а обобщенные результаты исследований для всех показателей приводятся в таблице 2,

Содержание минерального пигмента, %

1-каолин; 2-умбра; 3-силевит; 4-охра

Рисунок 1 - Зависимость удельного сопротивления продавливанию бумаги для гофрирования от добавки пигментов

8 5 235 1

225- ^—АЧГ

Ш 2!/^ ХЧ1

£8* У ^

53» 195-■-1-г

о 0,1 0 2 03

к

Содержание минерального пигмента, %

1-каолин; 2-силевит; 3-умбра; 4-охра

Рисунок 2 - Зависимость сопротивления бумаги для гофрирования плоскостному сжатию от добавки пигментов

Подобный характер зависимостей сохраняется также для показателей сопротивления разрыву и торцевому сжатию. По закономерностям видно, что пигменты охра, умбра и силевит, проявляя общую закономерность к повышению физико-механических показателей бумаги, обуславливают прирост каждого показателя на разную величину.

Характерной общей зависимостью для исследованных пигментов является наличие максимумов величины повышения показателей, что хорошо видно на графиках. При этом максимумы смещены по оси абсцисс, показывающей количества добавленного пигмента в массу. Такой характер зависимостей можно объяснить различной флоккулирующей способностью отдельных пигментов. А данная способность является функцией свойств пигментов - химического состава, строения и дисперсности.

Из трех исследованных пигментов - силевит, умбра и охра большим эффектом повышения прочности отличаются умбра и охра. При этом получаемые результаты для обоих пигментов близки по величине. Максимальное повышение показателей - сопротивление разрыву, продавливанию и плоскостному сжатию пигментами умбра или ох-

ра, как видно на рисунках 1 и 2, происходит при добавке их в массу 0,1-0,2 %. Максимумы увеличения сопротивления торцевому сжатию и сопротивления излому наблюдаются при добавках пигментов около 0,1 %. Установленные количества добавок пигментов для достижения максимального прироста показателей являются обоснованием для практического применения результатов в технологии бумаги.

Таблица 2 - Влияние пигментов на физико-механические свойства бумаги

Наименование показателя Ряд пигментов по увеличению показателя/увеличение, % Повышение показателя, %

1 Удельное сопротивление разрыву, кН/м силевит>умбра>охра 9,0 13,0 14,0 9-14

2 Абсолютное сопротивление продавливанию, кПа силевит>умбра>охра/ 7,0 14,0 15,0 7-15

3 Сопротивление плоскостному сжатию гофрированного образца бумаги (СМТзо), Н силевит>умбра>охра 4,0 8,0 7,0 4-8

4 Сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца бумаги (ССТ), кН/м силевит>охра>умбра 12,0 18,0 19,0 12-19

5 Сопротивление излому при многократных перегибах, ч.д.п. силевит>охра>умбра 6,0 12 22 6-22

Величина повышения показателей прочности бумаги (сопротивление разрыву и сопротивление продавливанию) при использовании пигментов умбра и охра достигает 13-15 %, а показателей жесткости бумаги (сопротивление плоскостному и торцевому сжатию) достигает 8-19 %. Величины сравнимы с эффективностью повышения показателей катионными крахмалами, при добавках в массу 0,5-1,0 % (5-10 кг/т бумаги).

Полученные результаты являются экспериментальным обоснованием целесообразности применения наиболее эффективных пигментов умбра и охра для улучшения свойств макулатурной бумажной массы и повышения механической прочности бумаги.

Исследование влияния пигмента умбра и полиоксихлорида алюминия на физико-механические показатели макулатурной бумаги для гофрирования. Учитывая результаты исследований по эффективности минеральных пигментов, для экспериментов были выбраны пигменты умбра и охра. Макулатурная масса готовилась в лаборатории. В нее добавлялись минеральный пигмент умбра и ПОХА. Для исследований использовалась масса со степенью помола 27 °ШР, часто используемой для выработки бумаги для гофрирования. Изготавливалась бумага массой 112 г/м2. Выбор данной бумаги объясняется тем, что в производственных условиях заметно труднее достигаются механические показатели для бумаги меньшей массы 1 м2 и важно было изучить влияние пигментов на этой бумаге.

Экспериментальные данные для показателей удельное сопротивление продавливанию и удельное сопротивление торцевому сжатию представлены на рисунках 3 и 4. Подобные зависимости имеют место также для показателей сопротивление разрыву и плоскостному сжатию.

На рисунках видно, что пигменты умбра или охра при индивидуальной добавке в макулатурную массу в количестве 0,2-0,3 %, обуславливают повышение показателей механической прочности бумаги для гофрирования массой 112 г/м2 в пределах 6-16 %, сохраняя избирательное повышение различных показателей. Добавка пигмента умбра

или охра в макулатурную массу тех же количеств 0,2-0,3 % совместно с ПОХА в количестве 0,5 % дает существенно больший прирост физико-механических показателей.

СТС,кН/м

0.13

0.25 0.30

Добавка пигмента, %

1-бумага с добавкой охра; 2- бумага с добавкой умбра; 1 -бумага с добавкой охра; 3- бумага с добавкой умбра и ПОХА -0,5 %; 4- бумага с добавкой умбра и ПОХА -0,5 %;

Рисунок 3 - Графики зависимости удельного сопротивления продавливанию (СПр) бумаги от расхода пигментов самостоятельно и совместно с ПОХА

0.25

Добавка пигмента, %

1-бумага с добавкой охра; 2-бумага с добавкой умбра; 1-бумага с добавкой охра; 3- бумага с добавкой умбра и ПОХА-0,5 %; 4- бумага с добавкой умбра и ПОХА-0,5 %;

Рисунок 4 - Графики зависимости удельного сопротивления торцевому сжатию (СТО) бумаги от расхода пигментов самостоятельно и совместно с ПОХА

Прирост составляет 15-20 %, против 6-16 % при добавке пигментов без ПОХА. Этот прирост объясняется тем, что ПОХА является специальным коагулянтом-флокулянтом, предназначенным для коагулирования и флокулирования коллоидных систем и взвесей. Компоненты фракций волокна 0-0,4 и 0,4-1,0 мм с частицами пигмента образуют в массе коллоиды и взвеси, которые коагулируются и флоккулируются ПОХА. Хотя ПОХА не является веществом, повышающим физико-механические показатели бумаги, и поэтому целенаправленно для этого не используется, но его коагулирующее и флоккулирующее действие на бумажную массу в пределах расходов 0,2 %-0,5 % (2-5 кг/т бумаги) обуславливает повышение механической прочности бумаги.

Исследование влияния степени помола макулатурной массы, добавки пигмента умбра и ПОХА на физико-механические показатели бумаги для гофрирования. Учитывая важность фактора - степень помола макулатурной массы для повышения физико-механических показателей бумаги для гофрирования, были проведены исследования его влияния на эффективность применения пигментов. Исследовано влияние степеней помола макулатурной массы в интервале 32-52 °ШР. Экспериментальные зависимости для показателей сопротивление продавливанию и плоскостному сжатию представлены на рисунках 5 и 6. Для показателей сопротивление разрыву и торцевому сжатию характер зависимостей сохраняется тот же.

Зависимости показывают, что степень помола макулатурной массы существенно повышает физико-механические показатели бумаги для гофрирования как без добавки

спс,н

СПр, кЛа 300 ■ 290 ■ 280 270 260 250 ■ 240 НО 220

260 -240 220 200 • 130 160 -140 120 100

32 37 »2 47 52

Степень помола макулатурной массы, °ШР

1 -бумага без добавок химикатов; 2-добавка 0,3 % умбра; 3-добавка 0,3 % умбра + 0,5 % ПОХА.

Рисунок 5 - Графики зависимости удельного сопротивления продавливанию бумаги от степени помола массы при добавках пигмента умбра и ПОХА

32 37 42 47 52

Степень помола макулатурной массы, °ШР

1-бумага без добавок химикатов; 2-добавка 0,3 % умбра; 3-добавка 0,3 % умбра + 0,5 % ПОХА.

Рисунок 6 - Графики зависимости сопротивления плоскостному сжатию бумаги от степени помола массы при добавках пигмента умбра и ПОХА

пигментов и ПОХА, так и с их добавкой. Анализ графических зависимостей позволил установить количественные соотношения степени помола макулатурной массы, добавки пигмента умбра и ПОХА и достигаемые этими соотношениями величины физико-механических показателей бумаги для гофрирования. Обобщенные данные приведены в таблице 3.

Как видно из таблицы 3, увеличение физико-механических показателей за счет суммарного действия трех факторов - степени помола, добавок пигмента и ПОХА -имеет индивидуальный характер и достигает 12-58 %. Также показано, что наибольший вклад в увеличение физико-механических показателей вносит степень помола - до 40 -50 %, на долю пигмента умбра можно отнести до 25-30 %, а на долю ПОХА - до 20 %-25 % увеличения прочности бумаги для гофрирования. Сочетание трех факторов - степени помола макулатурной массы в пределах 32-52 °ШР, добавки в массу пигмента умбра - 0,3 % (3 кг/т) и ПОХА - 0,5 % (5 кг/т), позволяют производить бумагу для гофрирования высших марок Б-1 и Б-0 по ГОСТ 7377-85.

3.4 Исследование влияния минерального пигмента умбра на воздухопроницаемость и капиллярную впитываемость бумаги для гофрирования. В качестве важной составляющей в работе были проведены эксперименты по изучению влияния пигмента умбра и его совместно с ПОХА на воздухопроницаемость и капиллярную впитываемость макулатурной бумаги для гофрирования. Результаты исследований показали, что добавление пигмента умбра самостоятельно или с ПОХА увеличивают зольность бумаги, а, следовательно, увеличивается ее пористость. Являясь функцией пористости, соответственно, увеличивается воздухопроницаемость и капиллярная впи-

тываемость бумаги. Совместное применение пигмента умбра и ПОХА зольность несколько повышает, что объясняется флоккулирующей способностью ПОХА.

Таблица 3 - Количественные соотношения помола макулатурной массы, добавок пигмента умбра и ПОХА в массу и достигаемые ими уровни физико-механических показателей бумаги для гофрирования массой 112 г/м2

Физико-механические показатели и уровни факторов для высших марок бумаги Нормы по ГОСТ 7377-85

Б-3 Б-2 Б-1 Б-0

1 Абсолютное сопротивление продавливанию, кПа Уровни факторов: СП, °ШР 32 + пигмент 0,3% СП, °ШР 32 + пигмент 0,3% + ПОХА 0,5% 145 195 245 245

245 252 245 252

2 Удельное сопротивление разрыву, кН/м Уровни факторов: СП, °ШР 32 + пигмент 0,3% СП, °ШР 32 + пигмент 0,3% + ПОХА 0,5% СП, °ШР 50 + пигмент 0,3% + ПОХА 0,5% 5,0 5,5 7,0 7,0

5,5 5,8 7,0 7,0

3 Сопротивление плоскостному сжатию гофрированного образца бумаги (СМТ30), H Уровни факторов: СП, °ШР 32 + пигмент 0,3% СП, °ШР 37 + пигмент 0,3% + ПОХА 0,5% СП, °ШР 52 + пигмент 0,3% + ПОХА 0,5% 110 190 240 260

135 190 240

4 Сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца бумаги (ССТ), кН/м Уровни факторов: СП, °ШР 32 + пигмент 0,3% СП, °ШР 37 + пигмент 0,3% + ПОХА 0,5% 0,65 0,75 0,95 1,00

0,74 1,03 1,03

3.5 Исследование влияния минеральных пигментов умбра и охра на содержание тяжелых металлов в макулатурной бумаге для гофрирования. Как природные вещества, минеральные пигменты содержат малые количества опасных для здоровья человека нежелательных примесей - тяжелые металлы цинк (Хп), свинец (РЬ), хром (Сг), медь (Си), кадмий (С<1). При добавке пигментов в макулатурную массу содержание в ней тяжелых металлов повышается и, следовательно, производимая бумага также может отличаться их повышенным содержанием.

Результаты исследований содержания тяжелых металлов в образцах бумаги подтвердили их значительное увеличение. В то же время, содержания тяжелых металлов в бумаге, вызванное добавками минеральных пигментов, не должно выходить за пределы допустимых норм, предусмотренных ДС ПНПИ 4.4.3-134-2006 "Бумага и картон на основе макулатуры, предназначенные для упаковки сухих пищевых продуктов. Гигиенические требования, критерии оценки качества и безопасности, методы определения".

Для установления соответствия бумаге нормам были проведены исследования. Бумага подвергалась водной экстракции и данные водные экстракты (вытяжки) анализировались на содержание тяжелых металлов. Было установлено, что содержание тяжелых металлов в водных вытяжках образцов бумаги не превышает санитарно-гигиенических требований. Тяжелые металлы прочно удерживаются в структуре пигментов, а пигменты - в структуре бумаги и не вымываются водой.

3.6 Исследование влияния минеральных пигментов на содержание взвешенных веществ в подсеточной воде и зольность осадка. Для установления влияния пигмента умбра на содержание взвешенных веществ и зольность осадка воды были проведены исследования. Результаты исследований приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Данные зависимости качества оборотной воды от добавки умбры

Наименование добавки Содержание взвешенных веществ в воде, г/дм3 Относительное содержание золы в осадке, %

Масса без добавки 0,60 30,2

Умбра (0,25 %) 0,46-0,50 33,0

Умбра (0,25 %) + ПОХА (0,5 %) 0,15-0,17 36,4

Как видно из таблицы 4, содержание взвешенных веществ в подсеточной воде при добавке пигмента умбра снижается примерно на 8%. При добавлении пигмента умбра и флокулянта ПОХА эффект удержания мелкого волокна и коллоидной взвеси повышается примерно в 4 раза. Проверка лабораторных результатов в условиях производства бумаги на Моквинской бумажной фабрике подтвердила полученные данные.

3.7 Исследование влияния минеральных пигментов на вязкость крахмального клея и прочность склейки картона. Исследовалось влияние пигментов на вязкость крахмального клея марки «8йо1 4140». Данные экспериментов показали, что вязкость крахмального клея несколько возрастает. Это объясняется тем, что пигмент увеличивает концентрацию клея и меняет его структуру.

Важным фактором для технологии также является способность бумаги, содержащей минеральные пигменты, образовывать прочную склейку при применении крахмального клея. Процесс склеивания в технологии гофрированного картона должен быть быстрым, надежным и экономичным. В диссертации исследовано склеивание клапанов картонных заготовок. Было установлено, что минеральные пигменты, добавленные к крахмальному клею, повышают прочность клеевого шва в пределах 6-12 %.

3.8 Некоторые теоретические аспекты повышения физико-механических показателей макулатурной бумаги для гофрирования при добавках минеральных пигментов в макулатурную массу. В результате выполненных исследований получено прямое доказательство увеличения механической прочности бумаги для гофрирования добавками минерального пигмента самостоятельно или в сочетании с флокулян-том. Для объяснения результатов исследования автор основывается на теории П.А. Ре-биндера о том, что минеральные частицы в водной суспензии при малой степени заполнения объема суспензии (низкие концентрации) участвуют в создании пространственной структуры путем образования центров силового поля адсорбционной природы, значительно повышая прочность этой структуры.

Макулатурную массу в композиционном бассейне (концентрация 2,5-3,0 %) с добавкой малых количеств минерального пигмента (2,5-3,0 % от массы а.с. волокна) можно отнести к водным суспензиям, к которым применима теория П.А.Ребиндера. При внесении минерального пигмента в массу наблюдается адсорбционное взаимодействие между их активными группами волокна и частицами пигмента. При низких концентрациях пигмента в массе взаимодействие его частиц между собой маловероятно и частицы являются адсорбированными на волокне активными центрами, способными создавать дополнительные связи между волокнами.

Адсорбционная способность пигментов определяется химическим составом, структурой кристаллической решетки и дисперсностью. Поверхность частиц пигментов по распределению энергии является микромозаичной, а, следовательно, это явление характерно адсорбционным свойствам поверхности. Главным фактором повышения механической прочности бумаги являются связи между волокнами, возникающие вследствие адсорбции частиц пигмента поверхностью волокна и участием адсорбированных частиц в образовании дополнительных связей с соседними волокнами. При этом образование данных связей не препятствует образованию водородных связей, так как размеры и количество пигмента в массе невелико и при адсорбции всех частиц на поверхности волокна они существенно не блокируют гидроксильные группы волокна.

Адсорбция пигмента осуществляется преимущественно на мелком волокне, обладающем удельной поверхностью в 3-4 раза большей поверхности длинного волокна. При этом за счет образования мостиковых связей через частицы пигмента мелкие волокна связываются с более длинными волокнами, образуя микрофлоккулы, тем самым улучшая структуру полотна бумаги (равномерность просвета, удельная плотность, пористость). А это повышает удержание волокна и механические показатели бумаги.

В результате экспериментов также установлено, что пигменты умбра и охра пре-валирующе повышают разные показатели механической прочности. Возможные причины данного явления:

Во-первых, это свойства пигментов. Если обратиться к их характеристикам, то можно видеть как одинаковые, так и отличительные химические компоненты пигментов. Общими химическими компонентами для всех пигментов являются оксиды БЮг и АЬ03, т.е. по этому показателю они подобны каолину. Однако содержание их в других пигментах значительно ниже. Каолин, например, состоит только из ЙЮг и АЬОз, а выбранные для исследований пигменты содержат значительные количества других окисей - железа, кальция, марганца и магния. Наличие данных оксидов, наряду с оксидами кремния и алюминия, придает им новые свойства, отличающиеся от каолина, и эти свойства определенным образом сказываются на свойствах бумажной массы и бумаги.

Большое содержание оксидов различных металлов и неметаллов неизбежно изменяет структуру силового поля поверхности частиц пигментов и это можно отнести к основному явлению, обуславливающему их положительное влияние на свойства бумажной массы и бумаги.

Во-вторых, композиция массы по длине волокна характеризуется значительным содержанием мелкой фракции волокна, которое отличается гораздо большей удельной поверхностью в сравнении с волокном средней и длинноволокнистой фракций массы. Этот фактор положительно сказывается на упрочнении бумаги за счет превалирующей адсорбции пигментов на мелком волокне. Можно говорить о повышении удержания образующихся комплексов «мелкое волокно - пигмент» в массе и на сетке бумагоделательной машины (БДМ). Повышение удержания волокна в бумаге способствует возникновению дополнительных сил связи, более полному удержанию мелкого волокна и пигмента в бумаге. Это подтверждается повышением удержания и волокна и пигмента в бумаге.

3.9 Технологическая схема и технология получения макулатурной массы для производства бумаги для гофрирования на Моквинской бумажной фабрике, включающие новые решения в соответствии с результатами диссертационного исследования. В разделе 3.1.2 был дан анализ действующей технологии производства макулатурной бумаги для гофрирования. Действующая схема не позволяет получать бумагу для гофрирования даже марки Б-3 по ГОСТ 7377-85. В условиях современного рынка бумаги для гофрирования действующая технология не конкурентоспособна и не имеет положительной перспективы. Основываясь на достигнутых результатах лабора-

торного этапа выполнения диссертации, автор предложил новые технические решения в технологической схеме и в технологии получения макулатурной массы для производства бумаги. Технические решения защищены патентами Украины № 45689 и № 45690.

Новые решения в технологии, обоснованные диссертационным исследованием, на стадии приготовления булшжной массы следующие:

- применение новых минеральных пигментов умбра или охра с расходом пигмента в пределах 0,25-0,30 % от массы а.с. волокна;

- применение флокулянта полиоксихлорида алюминия или «Полимина СК» для повышения удержания частиц пигмента и мелкого волокна в макулатурной массе;

- применение композиции «минеральный пигмент + флокулянт» для повышения механической прочности бумаги для гофрирования.

Новыми решениями в совершенствовании технологической схемы стали:

- предложение и организация участка подготовки химических продуктов - минерального пигмента умбра или охра и полиоксихлорида алюминия или «Полимина СК», включающего бак получения водной суспензии пигмента, сепаратор очистки суспензии, бак готовой суспензии и бак флокулянта;

- расчет и приобретение станции дозировки химических продуктов, монтаж и подключение трубопроводов к станции и точкам подачи химических продуктов;

- отработка технологии дозирования химических продуктов в массу.

Рекомендованная технологическая схема получения макулатурной массы, включающая новые решения в соответствии с результатами диссертационного исследования, приводится в диссертации. Технологическая схема является современной и позволяет организовать подачу химических продуктов по целому ряду комбинированных вариантов, что, в свою очередь, значительно расширяет возможности технологии по управлению качеством продукции и экономичностью производства.

3.10 Опытно-промышленные исследования влияния добавки минерального пигмента умбра на физико-механические показатели макулатурной массы и бумаги для гофрирования. Данные исследований представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Физико-механические показатели опытно-промышленной макулатурной бумаги для гофрирования массой 112 г/м2_

Физико-механические показатели бумаги для гофрирования Промышленная бумага Опытная бумага Нормы по ГОСТ 7377-85

Б-3 Б-2 Б-1

1 Абсолютное сопротивление продавливанию, кПа 150 252 не < 145 не <195 не <245

2 Удельное сопротивление разрыву, кН/м 4,7 7,0 не < 5,0 не < 5,5 не <7,0

3 Сопротивление плоскостному сжатию гофрированного образца бумаги (СМТ30), H 110 240 не <110 не <190 не <240

4 Сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца бумаги (ССТ), кН/м 0,7 0,95 не < 0,65 не < 0,75 не <0,95

5 Поверхностная впитываемость воды, г/м2, Коббзо 40 40 не >70

Как видно в таблице 5, совершенствование технологической схемы и технологии производства макулатурной бумаги для гофрирования Моквинской бумажной фабрики

позволили на бумагоделательной машине №1 изготовить опытную партию бумаги для гофрирования по ГОСТ 7377-85. Достигнутые величины всех физико-механических показателей соответствуют бумаге для гофрирования высших марок Б-2, Б-1 (низшей маркой сравнения была Б-3).

Подробно результаты опытно-промышленной выработки содержатся в актах.

3.11 Оценка экономической эффективности использования диссертационного исследования в производстве макулатурной бумаги для гофрирования. Целесообразность применения результатов диссертации в производстве подтверждается опытно-промышленной выработкой бумаги для гофрирования, которая показала возможность получения существенного экономического эффекта на Моквинской бумажной фабрике. В 2010 году фабрика внедрила усовершенствованную технологию производства макулатурной бумаги для гофрирования с экономическим эффектом 19,6 млн. руб. Внедрение подтверждается актом.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. Проведен анализ свойств и выбраны для диссертационного исследования минеральные пигменты - умбра, охра, цеолит, силевит и сапонит. Свойства пигментов -содержание оксидов металлов и неметаллов, дисперсность и укрывистость явились основанием для исследования пигментов в качестве добавок, повышающих качество макулатурной бумажной массы, физико-механические показатели бумаги для гофрирования и экономическую эффективность производства.

2. Установлено, что добавление в макулатурную массу 0,2-0,3 % пигмента умбра, охра или сапонит самостоятельно или с полиоксихлоридом алюминия повышают общее удержание мелкого волокна и анионных загрязнений в макулатурной массе при отливе бумаги, соответственно, до 8 и от 8 до 30 %.

3. Установлено, что степень помола массы совместно с добавками пигмента умбра и ПОХА повышают нормируемые показатели механической прочности бумаги для гофрирования массой 112 г/м2 :

- абсолютное сопротивление продавливанию - на 11,9 %;

- удельное сопротивление разрыву - на 25,6 %;

- сопротивление плоскостному сжатию гофрированного образца бумаги - на 58,2 %;

- сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца бумаги - на 47,1 %.

4. Показано, что наибольший вклад в увеличение физико-механических показателей бумаги вносит степень помола - до 40-50 %, на долю пигмента умбра можно отнести до 25-30 %, а на долю ПОХА - до 20-25 % увеличения прочности бумаги для гофрирования.

5. Установлено, что сочетание трех факторов - степень помола макулатурной массы в пределах 32-52 °ШР, добавка в массу пигмента умбра - 0,3 % (3 кг/т) и ПОХА - 0,5 % (5 кг/т), позволяют производить бумагу для гофрирования высших марок Б-1 и Б-0 по ГОСТ 7377-85.

6. Показано, что добавка пигмента умбра самостоятельно или с ПОХА увеличивают пористость и капиллярную впитываемость бумаги для гофрирования, повышают содержание тяжелых металлов в бумаге, но в пределах норм санитарно-гигиенических требований.

7. Установлено, что снижение содержания взвешенных веществ в воде с добавкой пигмента умбра составляет 8 %, а добавки пигмента умбра и ПОХА повышают эффект удержания мелкого волокна и анионных загрязнений примерно в 4 раза.

8. Установленные в диссертационном исследовании новые закономерности вли-

яния минерального пигмента и флокулянта на свойства макулатурной массы и механическую прочность бумаги стали обоснованием усовершенствованной промышленной технологической схемы и технологии бумаги для гофрирования из макулатуры.

9. Опытно-промышленная выработка макулатурной бумаги для гофрирования по усовершенствованной технологической схеме и технологии на Моквинской бумажной фабрике подтвердила результаты лабораторного этапа диссертационного исследования и показала целесообразность внедрения его в производство с получением существенного экономического эффекта. В 2010 году фабрика внедрила усовершенствованную технологическую схему и технологию производства макулатурной бумаги для гофрирования с экономическим эффектом 19,6 млн. руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в трудах:

1. Евсеев, М.М. Исследование влияния минеральных пигментов на качество бумаги / М.М. Евсеев, С.Ю.Кожевников // Химия растительного сырья. -2012. -№4. -С.205-208, автора - 0,15 и.л.

2. Евсеев, М.М. Моделирование качественных показателей бумаги, изготовленной с добавками пигментов. Неорганические пигменты в производстве бумаги / М.М.Евсеев // Целюлоза.Бумага.Картон. -2007. -№12. - С. 40-47, автора - 0,5 п.л.

3. Пат. № 45689 Украина. Способ производства волокнистого материала, предпочтительно упаковочного / М.М. Евсеев, A.A. Макаренко, И.Н. Гаркуша. - Заявка U200904519, приоритет 06.05.2009. -Опубл. 25.11.2009. Бюл. № 22/2009.

4. Пат. № 45690 Украина. Способ производства волокнистого материала, предпочтительно упаковочного/ М.М.Евсеев, А.А.Макаренко, И.Н.Гаркуша. - Заявка U200904520, приоритет 25.11.2009. - Опубл. 25.11.2009., Бюл. № 22/2009.

5. Евсеев, М.М. Макулатура: шдходи i напрямки використання /М.М.Евсеев // Упаковка, Киев. - 2009. - № 4. - С. 19-21, автора -0,1 п.л.

6. Евсеев, М.М. Мшеральш добавки як фактор полшшення якосп таропакуваль-них вид1в паперу (картону)/М.М.Евсеев // Упаковка, Киев. -2008. - № 5. - С. 14-17, автора - 0,25 п.л.

7. Евсеев, М.М. Исследование влияния минеральных пигментов на качество и фракционный состав макулатурной массы / М.М. Евсеев// XIV International symposium in the field of pulp Paper, Packaging and graphics. - Сербия, Златибор, 2012. - S.120-121, автора-0,125 п.л.

8. Евсеев, М.М. Влияние пигментов на качество бумаги и картона/М.М.Евсеев, А.А.Макаренко// Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья. Материалы 4-й всерос. науч. конф. Книга 1. -Барнаул, 2009. -С. 240-243, автора-0,15 п.л.

9. Евсеев, М.М. Неорганические пигменты и их использование в производстве бумаги /М.М. Евсеев // Качество и безопасность бумаги, картона и тары в соответствии с требованиями Украины и ВТО: межд. семинар. - Киев, 2008. - С.123-129, автора -0,56 п.л.

10. Евсеев, М.М. Минеральные добавки в массу для повышения качества бумаги и картона из макулатуры / М.М. Евсеев, A.A. Макаренко // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: тр. 5-й науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Барнаул, 2012. - С.408-410, автора - 0,1 пл.

11. Евсеев, М.М. Влияние минеральных веществ на свойства тарного макулатурного картона / М.М. Евсеев, A.A. Макаренко // Современное оборудование и технологии изготовления бумажно-картонной продукции из макулатурного сырья. Производство гофрокартона и изготовление тары: тр. 13-й междунар. научн.-техн. конф. -Караваево, 2012. - С.72-74, автора - 0,1 п.л.

12. Евсеев, М.М. Влияние минеральных пигментов на санитарно-гигиенические показатели бумаги / М.М. Евсеев И Химические процессы современной технологии ЦБП: сб.тр. междунар. научн.-практ.конф. - С.-Пб., 2012 - С.7-9, автора - 0,19 п.л.

Сдано в производство «12» марта 2014 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Изд. № 11/54. Заказ № 2025. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г.Красноярск, пр. Мира,82 Факс (391)211-97-25 Тел. (391) 227-69-90

открытое акционерное общество украинский научно-исследовательский институт бумаги

На правах рукописи

U^ui 457931

Евсеев Михаил Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МАКУЛАТУРНОЙ БУМАГИ ДЛЯ ГОФРИРОВАНИЯ ДОБАВКАМИ МИНЕРАЛЬНЫХ ПИГМЕНТОВ

Специальность: 05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Макаренко A.A.

Красноярск - 2014

*3

Стр.

ОГЛАВЛЕНИЕ..............................................................................................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................................6

Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ............................................................10

1.1 Макулатура - сырье для производства бумаги и картона..................................10

1.1.1 Характеристика макулатуры и волокна из нее............................................................10

1.1.2 Проблемы при переработке макулатуры..........................................................................12

1.1.3 Повышение бумагообразующих свойств макулатурной массы..................13

1.2 Наполнение бумаги и картона......................................................................................................15

1.2.1 Влияние наполнителей на качество бумаги и картона..........................................15

1.2.2 Удержание наполнителей в бумаге..........................................................................................19

1.2.3 Роль катионных химических средств в технологии наполненной

бумаги................................................................................................................................................................21

1.3 Основные виды минеральных наполнителей для бумаги....................................29

1.3.1 Характеристика традиционных наполнителей............................................................29 •

1.3.2 Природные минеральные пигменты..................................................................................31 -

1.3.3 Специфические наполнители и особенности применения........................35

1.4 Выводы по литературному обзору, постановка цели и задач диссертационного исследования..............................................................................................37

Глава 2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ........................................................................................................40

2.1 Объекты исследований......................................................................................................................40

2.2 Методика роспуска макулатуры, размола макулатурной массы

и расход наполнителя........................................................................................................................41

2.3 Методика изготовления лабораторных образцов бумаги....................................42

2.4 Лабораторное оборудование, приборы для исследований, нормативная документация..........................................................................................................43

2.5 Методика определения размеров волокна........................................................................44

2.6 Методика исследований качества макулатурной массы......................................44

2.7 Измерение степени помола массы............................................................................................48

2.8 Определение способности массы к обезвоживанию..............................................49

2.9 Определение физико-механических свойств образцов бумаги....................50

2.10 Определение разрушающего усилия при сжатии кольца (118Т)....................51

2.11 Определение сопротивления плоскостному и торцевому сжатию..........52

2.12 Определение поверхностной впитываемости воды............................................52

2.13. Статистическая обработка результатов исследований................................................52

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

54

3.1 Требования к качеству макулатурной бумаги для гофрирования, анализ технологии и качества бумаги Моквинской бумажной фабрики, для совершенствования технологии на основе использования минеральных пигментов...................................... 54

3.1.1 Анализ требований к качеству бумаги для гофрирования................ 54

3.1.2 Анализ технологии и качества макулатурной бумаги

для гофрирования Моквинской бумажной фабрики........................ 57

3.1.3 Анализ свойств и выбор минеральных пигментов для добавок

в макулатурное волокно с целью повышения качества бумажной

массы и механических показателей бумаги для гофрирования.......... 60

3.2 Исследование влияния неорганических пигментов на свойства макулатурной массы.............................................................. 64

3.2.1 Исследование влияния пигментов на остаток волокнистой массы при сортировании на ситах............................................................ 64

3.2.2 Исследование влияния пигментов и полиоксихлорида алюминия на состав фракций макулатурной массы по длине волокна................... 66

3.2.3 Исследование влияния пигментов на зольность макулатурной массы.. 68

3.3 Исследование влияния добавки минерального пигмента,

полиоксихлорида алюминия и помола макулатурной массы............ 70

механические показатели бумаги для гофрирования......................

3.3.1 Исследование влияния вида и расхода минеральных пигментов на физико-механические свойства макулатурной бумаги

для гофрирования................................................................. 70

3.3.2 Исследование влияния пигмента умбра и полиоксихлорида алюминия на физико-механические показатели макулатурной

бумаги для гофрирования........................................................ 79

3.3.3 Исследование влияния степени помола макулатурной массы, добавки пигмента умбра и ПОХА на физико-механические показатели бумаги

для гофрирования.................................................................. 84

3.4. Исследование влияния минерального пигмента умбра на

воздухопроницаемость и капиллярную впитываемость бумаги

для гофрирования.................................................................. 94

3.5 Исследование влияния минеральных пигментов умбра и охра на содержание тяжелых металлов в макулатурной бумаге

для гофрирования.................................................................. 96

3.6 Исследование влияния минеральных пигментов на содержание взвешенных веществ в подсеточной воде и зольность осадка.......... 98

3.7. Исследования влияния минеральных пигментов на вязкость 99 крахмального клея и прочность склейки картона...........................

3.8 Некоторые теоретические аспекты повышения физико-механических показателей макулатурной бумаги для гофрирования при добавках 100 минеральных пигментов в макулатурную массу........................

3.9 Технологическая схема и технология получения макулатурной массы для производства бумаги для гофрирования на Моквинской бумажной фабрике, включающие новые решения в соответствии

с результатами диссертационного исследования 104

3.10 Опытно-промышленные исследования влияния добавки минерального пигмента умбра на физико-механические показатели макулатурной массы и бумаги для гофрирования........................... 108

3.11 Оценка экономической эффективности использования диссертационного исследования в производстве макулатурной

бумаги для гофрирования........................................................ 110

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ......................................................................... 112

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................... 114

Приложение 1. Акт обследования технологической схемы бумагоделательной

машины №1 ООО « Моквинская бумажная фабрика»............................... 127

Приложение 2. Акт производства опытно- промышленной партии бумаги

для гофрирования с минеральными пигментами.................................... 129

Приложение 3. Акт внедрения технологии бумаги для гофрирования с повышенными показателями качества за счет использования в композиции минеральных добавок................................................................... 132

ВВЕДЕНИЕ

В современном производстве и потреблении картонно-бумажной продукции наиболее динамично развивается тароупаковочный макулатурный ассортимент с высокими показателями прочности и жесткости для транспортирования и хранения пищевой, сельскохозяйственной и промышленной продукции. Одним из конструкционных элементов гофрированной тары является бумага для гофрирования. В отличие от картона для плоских слоев гофрированного картона, бумага для гофрирования должна иметь высокие показателями механической прочности и жесткости с сохранением или приростом их после термопластификации в гофрировальном узле гофрогагрегата.

Основным волокнистым сырьем целлюлозно-бумажной промышленности Украины для производства бумажно-картонной продукции является макулатура различных марок. Общие заготавливаемые ресурсы макулатуры в Украине более 800 тыс. т в год, а производится бумаги и картона более 950 тыс. т в год. Макулатура используется многократно, что обуславливает значительную потерю механической прочности волокна и, следовательно, продукции из нее. Для производства бумаги для гофрирования и картона для плоских слоев гофрированного картона необходимо добиваться максимально возможного восстановления бумагообразующих свойств макулатурного волокна и в первую очередь его физико-механических показателей. Для этого существует целый ряд технических и технологических возможностей. Повышение механической прочности возможно за счет увеличения числа связей между волокнами. А их число напрямую связано с добавками в массу связующих веществ, активно взаимодействующих с волокном и образующих дополнительные связи. Анализ литературных данных и производственного опыта показывает, что добавки в массу

связующих веществ наиболее экономически выгодно и эффективно решает задачи по повышению прочности и жесткости бумаги.

Самым распространенным химикатом для повышения прочности бумаги и картона до настоящего времени остается широкий спектр крахмалопродуктов. Однако, в силу их большого недостатка - являются питательной средой для быстрого и масштабного развития микробактериальных и грибковых организмов, их применение сопряжено с определенными трудностями.

Поиск и разработка новых химических продуктов и технологий их применения для снятия остроты проблемы биообрастаний производственных потоков, присущей крахмалам, признаются перспективным направлением для переработки макулатуры. Снижение остроты проблемы, по мнению автора, находится в области решении задач разработки новых композиций бумажной массы, которые ведут к изменению свойств массы, улучшают структуру формуемого волокнистого слоя на сетке бумагоделательной машины.

Перспективными альтернативными крахмалу добавками в волокнистую массу при производстве бумаги могут быть минеральные химически активные вещества, относящиеся к классу окрашивающих веществ - пигментов. В отличие от веществ органического происхождения, минеральные вещества меньше подвержены микробиологическому разложению в технологическом потоке, в высокой степени удерживаются волокном, изменяют капиллярно-пористую структуру бумаги, а, следовательно, могут активно влиять на физико-механические показатели бумаги.

Активные исследования с применением минеральных добавок показывают, что они могут выполнять функцию упрочнения бумаги, при этом положительно влияют на качество продукции и экономические результаты производства. Неорганический характер добавок, дает возможность снизить микробактериальные показатели макулатурной массы, изменить удельную плотность бумаги или картона. Неорганические пигменты являются активными добавками, способными адсорбироваться поверхностью волокна, влиять на структуру связей и в целом улучшать структуру листов бумаги. Такое взаимодействие может приводить к повышению физико-механических показателей бумаги.

В литературе отсутствует системный анализ и исследования по применению новых широко известных как красители минеральных пигментов - умбра, охра, цеолит, сапонит и силевит в производстве бумаги и картона. Учитывая большие запасы минеральных пигментов, низкую стоимость и перспективность полезного использования также в производстве бумаги, представлялось целесообразным провести расширенные исследования по установлению эффективности минеральных пигментов, в качестве добавок к макулатурному волокну, улучшающих качество бумажной массы и механическую прочность бумаги для гофрирования. Так как, добавки минеральных пигментов в количествах свыше 0,5% могут подобно наполнителям оказывать отрицательное влияние на прочность бумаги, для исследований был выбран интервал добавок 0,1-0,3%.

Объективным подтверждением актуальности, новизны и практической ценности диссертационного исследования для промышленности является то, что оно выполнено в рамках приоритетной государственной программы научных разработок по теме "Разработать и освоить технологию производства тароупаковочных видов бумаги и картона с повышенными показателями качества за счет использования в композиции отечественных минеральных добавок". Работа выполнялась по заданию Министерства промышленной политики Украины № 320 д-05 от 20 мая 2005 г. (договор № Н 024-08 от 01.04.08 г. между Министерством промышленной политики Украины и ОАО «Украинский научно-исследовательский институт бумаги»).

Автором на защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Анализ свойств и выбор минеральных пигментов в качестве добавок улучшающих свойства макулатурной массы и повышающих физико-механические показатели бумаги для гофрирования.

2. Экспериментальные данные о влиянии минеральных пигментов на качество макулатурной массы.

3. Закономерности повышения физико-механических показателей макулатурной бумаги для гофрирования при добавках в массу минеральных пигментов.

4. Влияние минеральных пигментов на воздухопроницаемость, капиллярную впитываемость бумаги для гофрирования и содержание в ней

тяжелых металлов.

5. Влияние минеральных пигментов на содержание взвешенных веществ в подсеточной воде и зольность осадка.

6. Данные о влиянии минеральных добавок на клеящие свойства крахмального клея.

7. Усовершенствованная технологическая схема и технология получения макулатурной массы для производства бумаги для гофрирования на Моквинской бумажной фабрике, включающие новые решения в соответствии

8. Данные о влиянии опытно-промышленных условий на физико-механические показатели бумаги для гофрирования с добавками в массу пигмента и флоккулянта.

9. Оценка экономической эффективности использования диссертационного исследования в производстве макулатурной бумаги для гофрирования.

Глава 1. АНАЛИТЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Макулатура - сырье для производства бумаги и картона

1.1.1. Характеристика макулатуры и волокна из нее

Макулатура - это использованные по прямому назначению бумага, картона и изделия из них. Она является источником волокна для производства новой бумажно-картонной продукции [1-2]. При этом качество вторичного волокна из макулатуры таково, что заменяет первичные волокнистые полуфабрикаты в производстве ряда картонов (тарного, коробочного, полиграфического, кровельного), а также некоторых видов бумаги (оберточной, газетной, туалетной, бумаги для гофрирования и др.) [3].

Использование макулатуры имеет большое экономическое и экологическое значение, что доказывается меньшей в 2-3 раза стоимостью строительства предприятия по производству картона из макулатуры, по сравнению с созданием производства на первичном волокне [4-6]. Сбор и переработка 1 т макулатуры, также в 2-3 раза дешевле получения и переработки первичного волокна. Кроме того, 1 т макулатуры экономит 3,0-4,5 м3, древесины, что примерно равно сохранению 15 спелых деревьев. В Европейском Союзе имеется обязательная программа утилизации макулатуры. С приведенных выше данных не трудно понять, почему такое пристальное внимание уделяется сбору и переработке макулатуры. Если к приведенным фактам добавить еще заметную экономию энергии и оздоровление экологии, то, становится понятным - макулатура в настоящее время и на обозримую перспективу будет важнейшей составляющей волокнистого сырья для бумажно-картонных предприятий.

Не лишена макулатура недостатков. Это очень сложный по составу сырьевой материал, который требует высокого уровня развития технологи переработки и

только в этом случае обеспечивается достаточная рентабельность производства и достигается желаемое качество продукции [7-8]. Учитывая данное требование, следует указать характерные особенности макулатуры:

а) подавляющая доля поступающей на предприятия макулатуры содержит смесь (фракции) не равноценных волокнистых компонентов, в широком интервале отличающихся бумагообразующими свойствами (целлюлоза, полуцеллюлоза, древесная масса);

б) макулатура содержит трудно поддающееся оценке переменное количество разнохарактерных веществ - минеральные наполнители, клеи, синтетические смолы, типографские краски и др.; кроме того, она содержит посторонние примеси - песок, веревки, скрепки, стекло, синтетическая пленка и др.;

в) физико-механические и бумагообразующие свойства волокна из макулатуры резко ухудшаются в повторных процессах переработки макулатуры.

При использовании макулатуры для производства тароупаковочного ассортимента продукции, а это до 70% макулатуры, особую актуальность приобретают задачи по совершенствованию действующих технологий использования химических добавок и и�