автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Применение полуфабрикатов высокого выхода в композиции фильтровальных видов бумаги

Р Г Б саШКпетербургская лесотехническая академия

' СЕН 19г'

На правах рукописи

ФЕДОРОВА Марина Петровна

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУФАБРИКАТОВ ВЫСОКОГО ВЫХОДА В КОМПОЗИЦИИ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫХ ВИДОВ БУМАГИ

05.21.03 «Технология и оборудование химической

переработки древесины; химия древесины»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 1994г

Работа выполнена на кафедре целлюлозно-бумажного производства Санкт-Петербургской лесотехнической академии.

Научный руководитель — кандидат технических наук

доцент Пузырев С. С.

Официальные оппоненты — доктор технических наук,

профессор Киприанов А. И. кандидат технических наук Сметании В. В.

Ведущее предприятие —АО «Красногородская экспериментальная фабрика»

Зашита диссертации состоится

¿Л/ - часов на заседании специализированного совета Д063.50.02 Санкт-Петербургской лесотехнической академии (Институтский пер.,5, главное здание, зал заседаний). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан */-> * ¿*Чс>1994г.

Ученый секретарь специализированного совета Калинин Н. Н.

1. Изучить возможности применения полуфабрикатов высокого выхода в производстве фильтровальных видов бумаги.

2. Установить оптимальный режим производства полуфабрикатов высокого выхода, пригодных для производства фильтровальных материалов.

3. Исследовать возможность придания фильтровальной бумаге специальных свойств с помощью новых химических добавок.

4. Разработать технологию новой фильтровальной бумаги для очистки дизельного топлива.

Научная новизна. Установлена взаимосвязь природы, строения и расположения волокон химико-термомеханической массы (в дальнейшем последняя будет обозначаться ХТММ) низкой степени помола с важнейшими эксплуатационными показателями фильтровальной бумаги, обусловленными ее капилярно-пористой структурой, а именно: максимальным размером пор, характерезуемым герметичностью и общей пористостью; пропускной способностью, определяемой сопротивлением потоку воздуха. Показано, что волокно ХТММ низкой степени помола обладает свойствами и структурными особенностями, позволяющими использовать его в производстве фильтровальных материалов.

Определен оптимальный волокнистый состав фильтровальной бумага-основы, включающей ХТММ, без использования мерсиризованной и хлопковой целлюлозы. С помощью компьютерной обработки результатов эксперемента, установлено, что параметры данной бумаги обеспечивают свойства материала для очистки жидкого топлива.

Исследован режим производства полуфабрикатов высокого выхода и эксперементально обоснована целесообразность применения в производстве фильтровальных видов бумаги волокна ХТММ степени помола до 25° ШР из лиственных пород древесины (осины).

Установлена экологическая целесообразность применения волокна ХТММ в производстве фильтровальной бумаги взамен традиционно применяемых видов целлюлозы.

Исследован процесс пропитки фильтровальной бумаги-основы новыми химическими добавками. Установлено влияние выбранных пропиточных растворов на эксплуатационные и структурно-фильтрующие свойства бумаги.

Определен состав нового пропиточного раствора, включающего малофенольную смолу вместо применяемых

традиционно бакелитовых лаков и, являющегося в экологиче-схом отношении более чистым.

Результаты исследований были положены в основу разработанной технологии фильтровальной бумаги для очистки дизельного топлива. Новизна работы подтверждена выдачей патента на волокнистый состав.

Практическая ценность. В результате исследований разработан новый вид пропитанной фильтровальной бумаги двух модификаций: для тонкой полнопоточной и грубой частично-поточной очистки дизельного топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Разработан такой волокнистый состав массы, который обеспечивает экономию средств. Установлено, что применение волокна ХТММ в отличии от традиционных видов целлюлозы исключает затраты на приобретение дорогостоящей хлопковой целлюлозы, а также на стадию мерсеризации и, соответственно на последующую очистку сточной воды.

Замена традиционно применяемого в процессе пропитки бакелитового лака на малофенольную смолу также позволяет значительно сократить затраты на очистку сточной воды данного производства.

Все выше перечисленные факторы позволяют снизить себестоимость новой фильтровальной бумаги на 20-25%.

Реализация работы в промтплр.ншчгти. Производство новой фильтровальной бумаги предполагается освоить на Косинской бумажной фабрике после проведения запланированной реконструкции последней.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на двух международных и одной всесоюзной конференциях — VI Всесоюзная конференция по физике и химии целлюлозы, 1990г., международная конференция «Научные основы прогресса технологии производства бумаги», 1991г., международный симпозиум «Экологически безопасный завод будущего в целлюлозно-бумажной промышленности», 1991 г.

Публикании работы. По материалам диссертации опубликовано 5 тезисов докладов и получен патент.

Объем работы, Диссертация состоит из введения, трех разделов, общих выводов, перечня литературы^ содержащего 98 источников. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка, 10 таблиц и 3 приложения.

ваний в качестве волокнистого сырья использовались: целлм лоза сульфатная древесная небеленая марки Э-2, химико-термомеханическая масса из лиственной древесины степени помола 17-25°ШР, изготовленная на Сыктывкарском ЛПК, химико-термомеханическая масса из хвойной древесины степени помола 17-25°ШР, изготовленная на Сыктывкарском ЛПК. Для пропитки бумаги-основы применяется спиртовой раствор фенолформальдегидной смолы марки ЛБС-9, а также спиртовой раствор малофенольной смолы марки СФ-010.

Роспуск целлюлозы в лабораторных условиях производился в ролле емкостью 4,0 л. со стальной гарнитурой, диспергирование ХТММ производилось на лабораторной мешалке пропеллерного типа. Латентность массы устранялась на дисковой мельнице «Спроут Вальдрон 12" с диаметром дисков 300 мм.Сортирование ХТММ осуществлялось на вибросортировке, изготовленной ЭПМ ЦНИИБа.

Лабораторные образцы бумаги для исследования получали на листоотливном аппарате ЛОА-2. Пропитка лабораторных образцов производилась на специальной лабораторной установке, изготовленной мастерскими ВНИИБа.

Определение физико-механических показателей осуществляли в соответствии с действующими стандартами. Толщину фильтровальной бумаги определяли с помощью прибора «ВОЛ».

Герметичность образцов, характерезующую тонкость фильтрации бумаги, определяли в соответствии с ГОСТ 21050-82, в качестве смачивающей жидкости использовали этиловый спирт, поверхностное которого равно 22,3*10 н/м.

Сопротивление потоку воздуха, характерезующую удельную пропускную способность фильтровальных материалов, определяли в соответствии с ГОСТ 25099-82 при скорости воздуха 0,83 см/с и 4,16 см/с.

Размеры волокон полуфабрикатов измеряли с помощью ланаметра NFM-02 (производства Венгрии). Величины диаметра и длины волокон вычисляли как среднее арифметическое значение из 100 измерений. Химическое потребление кислорода (ХПК), величина которого с достаточной точностью совпадает с тебритически необходимым количеством кислорода для полного превращения углерода и водорода органических соединений в углехислый газ и воду, определялось стандартным методом APHA (США).

Биологическое потребление кислорода (БПК), величина которого условно характерезует количество кислорода, расходуемое на биохимическое окисление органики до момента образования очень малых количеств нитритов, определяли методом разбавления.

Количество золы, экстрактивных веществ, лигнина, гемицеллюлоз в волокне ХТММ определяли в соответствии с действующими стандартными методиками.

Комплексное определение пористости материала и его качественных характеристик производили на приборе «Coulter Porometer П» производства Франции в соответствии с приданной методикой.

Третья глава— эксперементальная часть — включает:

1. Исследование режима производства ХТММ с целью получения массы, отвечающей требованиям волокнистого сырья для производства фильтровальных материалов.

Исследования режима получения ХТММ, отвечающей требованиям волокнистого сырья для производства фильтровальных материалов ранее не проводились.

Для проведения эксперементов использовалась масса, отобранная с потока производства ХТММ Сыктывкарского ЛПК. Полуфабрикат отбирался после первой ступени размола и имел степень помола 17-25°ШР. Данный помол массы соответствует уровню степени помола волокнистых полуфабрикатов для производства фильтровальных видов бумаги.Однако, такая масса требовала дополнительной очистки из-за высокого содержания костры и грубых волокон. Сортирование проводилось на вибросортировке после предворительного снятия латентности массы.

Содержание химических веществ в волокне ХТММ, используемом в композиции бумаги-основы приведено в табл.1.

Таблица 1

Содержание химических веществ в волокне ХТММ

образец содержание в % к 100% волокна

зола экстрактивные лигнин гемицеллюлозы

ХТММ лиственна-яотсортированная 0,40 1,34 21,50 28,10

Установленно, что в данном случае повышенное содержание лигнина играет положетельную роль. В пределах

применяемого количества ХТММ в композиции фильтровальной бумаги, пластифицированный лигнин способствует повышению жесткости волокна и каркасностн структуры полотна. Наличие гемицеллюлоз не оказывает существенного влияния на качество фильтровального материала.

При микроскопическом исследовании данных образцов полуфабрикатов высохого выхода установлено, что волокна преимущественно имеют округлую форму и гладкую, неразработанную поверхность.

Установлено, что несмотря на то, что волокна ХТММ короче, чем целлюлозные волокна, разница в их геометрических размерах нивелируется структурными различиями.

Для установления оптимального количества волокна ХТММ в композиции фильтровальной бумага нами изготавливались образцы, включающие в себя от 0 до 100 процентов ХТММ и целлюлозы марки Э-2 соответственно.

Результаты испытаний бумаги-основы, включающей лиственную ХТММ представлены в табл.2.

Таблица 2

Результаты испытаний бумага-основы, содержащей лиственную ХТММ_____

Композиция Масса 1м2, г Толщина, мм Плотность, г/см Сопроти-ление потоку воздуха, Па Герметичность, кПа Разрушающее усилие, Н

10%ХТММ 90% Э-2 127 0,49 0,25 15 1,37 15

20% ХТММ 80% Э-2 127, 0;49 0,25 20 1,52 15

30% ХТММ 70% Э-2 127 0.49 0,25 19 1,43 18

40% ХТММ 60% Э-2 132 0,55 0,24 17 1,38 17

50% ХТММ 50% Э-2 132 0,55 0,24 16 1,34 18

60%ХТММ 40% Э-2 135 0,54 0,24 22 1,46 20

80% ХТММ 20% Э-2 132 0,55 0,24 32 1,53 19

Эксперементы показали, что представляется возможным использование волокна ХТММ в производстве фильтровальных видов бумаги в количестве 50% от общего количества

волокна в композиции. Дальнейшее повышение содержания XT ММ в композиции бумаги вызывает рост показателя сопротивления потоку воздуха, следовательно понижения пропускной способности материала и срока службы фильтрующего элемента.

В ходе эксперементов установлено, что при прочих практически равных условиях, показатель герметичности выше у материала, изготовленного с использованием лиственной ХТММ, нежели у материала, включающего хвойную ХТММ.

С целью учета возможных отклонений качества сырья и получения стабильных показателей качества продукции нами было принято как наиболее эффективное, количество лиственной ХТММ в фильтровальной бумаге — до 50%.

2. Определение в лабораторных условиях ассортимента фильтровальных видов бумаги с применением ХТММ.

Для установления ассортимента фильтровальных видов бумаги, включающих волокно ХТММ были проведены исследования образцов, имевших плотность 0,4г/см и0,2г/см при постоянных значениях массы 1м и композиции.

Исследования проводились на установке «Coulter Porometer П». Данные значения плотности нами были выбраны вследствие того, что как известно из литературных источников, главным образом, именно такие значения используются при производстве мелкопористых и крупнопористых видов фильтровальной бумага соответственно.

Данные эксперементов приведены на рис. 1-3.

Кривые, представленные на рис.1 позволяют определить размер минимальных и максимальных пор, присутствующих в образце.

Зависимости рис.2 позволяют определить общий объем пор в образце.

Рис.3 позволяет установить размер пор, определяющих процесс фильтрации.

Показано, что образцы, изготовленные с плотностью 0,4г/см имеют тонкость фильтрации в пределах от 5 до Юмкм (размер пор, определяющих фильтрацию 7,9 мкм), что соответствует фильтровальным материалам полнопоточной очистки топлива в двигателях внутреннего сгорания.

У образцов фильтровальной бумаги, изготовленных с плотностью 0,2 г/см тонкость фильтрации находится в пределах от 10 до 15 мкм (размер пор, определяющих фильтрацию

3. Определение оптимального волокнистого состава фильтровальной бумаги-основы с применением волокна ХТММ.

Нами были проведены исследования образцов фильтровальной бумаги-основы, изготовленной с одинаковой плотностью и массой 1 м , но при различном содержании волокнистого полуфабриката высокого выхода— 30% и 50% от общего количества волокна в композиции. Кривые дифференциального

В результате эксперементов распределения расхода порофила г в образце, содержащем 30%

установлено, что при росте со- хтмм

держания ХТММ в образце, раз- д.

мер присутствующих в ма- днфф

териале пор практически не ме- раЦад о

ияется. 2.;"°

Пропускная способность также практически не отличается у обоих образцов. Размер пор, определяющих процесс 33>0 размер ПОр, мкм 6,4

фильтрации, у исследованных Рис.4

образцов одинаков и равен 6,2 мкм. Однако при увеличении содержания ХТММ количество данных пор увеличивается.

Это объясняется, видимо, наличием большого количества округлых, гладких волокон в материале.

В связи с изложенным было установлено следующее наиболее эффективное сочетание волокнистых компонентов:

50% целлюлозы сульфатной небеленой марки Э-2;

50% ХТММ из древесины осины.

4. Придание фильтровальной бумаге с волокном ХТММ специальный свойств с помощью новых химических добавок в лабораторных условиях.

При пропитке бумаги фенольными смолами повышается жесткость, механическая прочность в сухом и влажном состоянии, снижается впитываемость воды. Режим такой пропитки следующий: массовая доля смолы в бумаге— 10-17%; время термообработки 10 минут при температуре 150-160"С.

В процессе эксперементов, в ходе которых в качестве пропиточного раствора использовалась 10 спиртовой раствор фенолформальдегидной смолы, установлено, что закономерности, свойственные процессу пропитки фильтровальной бумаги, изготовленной из традиционной целлюлозы справедливы и для бумаги, содержащей ХТММ.

В связи с необходимостью ужесточения мер по охране окружающей среды для последующих эксперементов нами была выбрана новолачная фенолформальдегидная смола марки СФ-10 с пониженным содержанием свободного фенола.

Пропитку проводили 10 спиртовым раствором данной сколы, термообработка длилась 3 мин. при температуре 160°С. При более длительной термообработке образцы фильтровальной бумаги горели. Пропитывались образцы бумага различной плотности (0,2г/см и 0,4г/см ).

Установлено, что прочностные характеристики бумага, пропитанной малофенольной смолой не ухудшаются по сравнению с характеристикими бумага, пропитанной бакелитовым лаком. Кроме того выявлено, что пропитка новолачной смолой не оказывает существенного влияния ка фильтрующие свойства бумага.

Физико-механические показатели, полученные в ходе испытаний данных образцов приведены в табл.3.

Таблица 3

Физико-механические свойства фильтровальной бумага с

_ хтмм__

Вид бумаги Плотность, г/см3 Разрушающее усилие в сух. сост., Н Разрушающее усилие во влажн. сост., Н Влагопроч-ность, %

Бумага-основа 0,40 53 _ _

Пропитанная 0,40 114 100 8S

Бумага-основа 0,20 19 _ —

Пропитанная 0,20 79 57 72

В результате работ по данному разделу установлено, что использование малофенольнын смол в производстве фильтровальных видов бумага с успехом может заменить применяемую в настоящее время фенолформальдешдную смолу, кроме того, очевидна экологическая целесообразность применения малофенольной смолы, позволяющей при переработке бумага в фильтрующие штсзн сократить выброс фенола в окружающую среду примерно в 5 раз.

5. Разработка технологического режима производства фильтровальной бумага с применение ХТММ.

Необходимость создания нового вида фильтровального материала для очстки топлива была обусловлена возросшими требованиями к охране охружающей среды н использованию

для производства фильтровальных видов бумаги является целесообразным и экологически обоснованным.

Выводы.

1. Впервые показано, что волокно химико-термомеханической массы, полученное в одну ступень размола степенью помола 17-22'ШР, обладает такими свойствами и структурными особенностями, которые позволяют с успхом использовать его в'производстве фильтровальной бумага.

2. Установлено, что волокно ХТММ имеет свойства, позволяющие при его использовании получать два вида фильтровальной бумаги, а именно, мелкопористую и крупнопористую, изменяя лишь плотность бумаги при прочих равных условиях.

3. Разработан и защищен патентом волокнистый состал бумажной массы, состоящей из 50% ХТММ, полученной в одну ступень, размола из осиновой древесины, и 50% целлюлозы марки Э-2 из хвойной древесины, обеспечивающей получение качественной фильтровальной бумаги без процесса мерсеризации.

4. Установлено, что замена традиционной смолы марки ЛБС-9 малофеиольной смолой марки СФ-010 при проведении процесса пропитки не ухудшает значения качественных показателей пропитанной фильтровальной бумага, изготовленной с использованием волокна ХТММ и позволяет в значительной степени снизить выбросы в атмосферу свободного фенола.

5. Создана технология пропитанной фильтровальной бумаги с использованием волокна ХТММ в композиции и спиртового раствора смолы марки СФ-010 в качестве пропиточного раствора, позволяющая организовать выпуск высокоэффективных фильтрующих элементов для очистки дизельного топлива. Стоимость фильтровальной бумага снижается на 20-25%.

Основные положения диссертации содержатся в следующих публикациях:

1. Федорова М. П. Влияние химико-термомеханической массы на свойства фильтровальных видов бумаги.// Международная конференция «Научные основы прогресса технологии производства бумаги». Сб. стендовых докладов.— Л., 1991, с.49.

2. Осипов П.С., Орлова И. Н., Федорова М. П. Новые виды экологически чистых фильтровальных волокнистых материалов.// Международная конференция «Научные основы

прогресса технологии производства бумаги». Сб. стендовых докладов.—Л., 1991, с.50.

3. Федорова М. П. Применение полуфабрикатов высокого выхода в пористых видах бумаги.// Международный симпозиум «Экологически безопасный завод будущего в целлюлозно-бумажной промышленности». Аннотация стендовых докладов.—Л., 1991, с. 13.

4. Федорова М. П. Направленное регулирование капиллярно-пористой структуры бумаги из смеси хлопковой и древесной целлюлозы путем введения ХТММ.// VI Всесоюзная конференция по физике и химии целлюлозы. Сб. тезисов докладов.— Минск, 1990, с. 135.

5. Патент N 121201 (СССР). Волокнистая масса для изготовления бумажного фильтровального материала./ Федорова М.П., Пузырев С. С., Осипов П. С., Орлова И. Н., Спиридонов А. Л., 1991.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями присылать по адресу: 194018, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5, Санкт-Петербургская Лесотехническая академия, Ученый совет.

Подписано в печать с оригинал-макета Формат 60*90 1/16. Бумага оберточная. Печать офсетная. Изд^ Уч. изд. л. 1,25. Печ. л.1,25 Тираж 100 экз. Заказ N 45. С15 Редакционно-издательский отдел ЛТА Подразделение оперативной полиграфии ЛТА 194018, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3.