автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Технология получения однородных составов для консервации документов на бумажной основе и изготовления бумаги

=о

о о

На правах рукописи

СЕРГЕЕВ ЕВГЕНИЙ ЮРЬЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОРОДНЫХ СОСТАВОВ ДЛЯ КОНСЕРВАЦИИ ДОКУМЕНТОВ НА БУМАЖНОЙ ОСНОВЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУМАГИ

05. 21. 03 — технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени капдидата технических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров

Научный руководитель :

Научный консультант : Официальные оппоненты

Ведущая организация:

- доктор технических наук; профессор; академик Терентьев О. А.

- кандидат химических наук Дробосюк В. М.

: - доктор технических наук профессор Зорин И. Ф. кандидат технических наук Бобтенков В. М.

АО «ВНИИБ»

Защита состоится "_" _ 1997 года

в_часов на заседании диссертационного Совета Д 063. 24. 01.

при Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров по адресу: 198095, Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического университета растительных полимеров.

Автореферат разослан "_"_ 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета Ю. Н.Швецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Документы, хранящиеся в фондах библиотек и архивах- книги, газеты, журналы, карты, рукописные и машинописные архивные материалы, - выполнены в основном на бумаге и подвергаются старению, которое сопровождается изменением химического состава материальной основы, уменьшением величины механической прочности и белизны. Причиной значительного снижения долговечности фондов являются также стихийные бедствия. Для предотвращения старения исторического наследия науки и культуры необходим дифференцированный подход к сохранности, с учетом потерянных свойств индивидуально каждого документа. При этом необходимо учитывать сегодняшнее состояние документа и перспективы состояния документа через несколько лет. Это связано с тем, что отрицательные стороны восстановления документа, из-за недостаточно полно научно обоснованных методик проведения технологических процессов проявляются через какой-то промежуток времени.

Обеспечение сохранности документов представляет собой непрерывный процесс консервации, который включает развитие работ по целому ряду направлений. Одним из важных технологических процессов консервации является обработка поврежденного документа различными композициями. В процессах консервации документов и в процессах производства бумаги используются в основном одинаковые вещества. Некоторые технологические процессы приготовления однородных композиций и в том и в другом случае можно считать товдественными. Их различие состоит в аппаратурном оформлении, но ход процессов подчиняется общим закономерностям. Поэтому приготовление композиции для производства бумага и консервации документов необходимо рассматривать, как составные части единого технологического процесса - производство бумаги и обеспечение долговечности документов на бумажной основе.

В производственных условиях композиции получают путем перемешивания в аппаратах различной конструкции. Для консервации документов используются: мучной и крахмальный клеи, на основе поливинилового спирта, на основе растворимых эфиров целлюлозы и другие. Используется композиции на основе натриевой соли карбоксилметилцеллюлозы, жирующие композиции, антагрибные соединения, метиловый эфир, формалин и другие. Ассортимент компонентов, используемых для консервации бумажных носителей информации ограничен ГОСТом, и в тоже время достаточно широк, так как происходит постоянный поиск и апробация новых материалов и композиций. Однако, из-за слабой связи со смежными отраслями промышленности, имеющиеся данные недостаточно систематизированы, поэтому из-за несовершенства технологии и аппаратурного оформления со-

ставы могут быть неоднородными, что может привести к искажению информативности документов и даже к преждевременному их разрушению. В связи с этим, задача обоснования процесса перемешивания и выбора типов малогабаритного оборудования для приготовления однородных композиций, используемых для обработки бумаги, приобретает особую актуальность и способствует повышению ее долговечности. Работа выполнялась в соответствии с Российской научно-технической подпрограммой на период до 2000 года "Комплексное использование древесного сырья" по разделу Разработка новых технологий процесса производства бумаги и целлюлозных композиционных материалов.

Цель работы. Исследование, анализ и оптимизация технологических схем, оборудования, создания оптимальных методик и практических рекомендации для процессов приготовления однородных составов используемых при консервации документов и изготовления бумаги с целью повышения долговечности в процессе длительной эксплуатации. Разработка кинетики процессов растворения твердых порошкообразных веществ и органических жидкостей для получения однородных составов в аппарате с интенсивной турбулентностью. Для достижения поставленной цели предусмотрено решение следующих задач;

- теоретический и экспериментальный анализ кинетики процессов растворения твердых порошкообразных веществ и органических жидкостей для получения составов в аппарате с интенсивной турбулентностью;

- определение параметров режима получеши однородных композиций (составов) в зависимости от физических свойств компонентов и условий перемешивания;

- разработка инженерного метода расчета параметров процессов растворения компонентов и разбавления растворов;

- экспериментальное определение влияния однородности растворов на механические показатели бумага;

- создание экспериментальной установки для проведения опылю- промышленных испытаний условий приготовления однородных композиций;

- внедрение полученных результатов в производство.

Основные положения методики исследования. Теоретический анализ процесса растворения веществ, используемых в композициях для обработки бумаги базируются на основе современных представлений о характеристиках конвективной диффузии в турбулентном потоке. Экспериментальные исследования проводились на специально созданной установке, снабженной современной контрольно-измерительной аппаратурой: интерферометром, фотоэлектрическими колориметрами, оптическими спектрометрами.

Научная новизна. Разработаны модели процессов растворения и раз-

бавления систем твердое тело - жидкость, и жидкость - жидкость, имеющих плотность растворяемых веществ близкую к плотности растворителя, изменяющуюся по ходу растворения вязкость раствора; - установлены научно обоснованные пут интенсификации процессов получения однородных композиций в зависимости от заданных технологических факторов при изготовлении бумаги и ее обработке; - разработан новый способ управления технологическим процессом эмульгирования..

Практическая ценность работы. Предложена инженерная методика выбора параметров процесса перемешивание для получения различных однородных составов. Обоснован выбор малогабаритного оборудования, обеспечивающего перемешивания в режиме развитой турбулентности. Разработала технологическая схема приготовления композиций используемых при изготовлении и поверхностной обработке бумага.

Реализация результатов работы. Разработанная методика параметров процесса перемешивания позволила рекомендовать:

- технологическую схему и оборудование по приготовлению однородных составов для работы с поврежденными фондами в Б АН; методику приготовления однородного раствора ЫаКМЦ в технологии поверхностной проклейки бумага на Камском ЦБК. На АОЗТ "Балтика" разработана и внедрена в производство технологическая линия по дозированию и диспер-гировашпо красок для выпуска текстурной бумаги.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на: - научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников ЛТИ ЦБП в 1990-1993 гг.; - Всесоюзном научно-техническом семинаром "Опыт освоения производства новых видов бумаги для упаковки пищевых продуктов" в 1989 г.; - Российской научно-практический конференции "Б АН 7 лет после пожара" в 1995 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано пять работ, получено 1 авторское свидетельство.

Объем работы. Диссертация представлена на 180 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц и 24 рисунка.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии, содержащей 98 наименований и приложений. Автор защищает:

1. Математическую зависимость режима получения однородных составов от физических свойств компонентов и условий перемешивания.

2. Методику кинетики процессов растворения твердых порошкообразных веществ и органических жидкостей для получения однородных составов, в аппарате с интенсивной турбулентностью.

3. Влияние однородности растворов полимеров на механические показатели бумаги.

4. Инженерный метод расчета параметров процессов растворения компонентов и разбавления концентрированных растворов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются основные положения выносимые на защиту.

• В первой главе проведен критический анализ существующей информации по использованию различных композиций при консервации бумажных носителей информации. Обобщены основные рецепты и способы приготовления композиции. В литературе по консервации документов нет конкретных рекомендаций получения однородных композиций с учетом необходимого и достаточного времени перемешивания, конструкции перемешивающего устройства, не рассматривается влияние интенсивности перемешивания на скорость растворения частиц, плотность которых близка к плотности растворителя. Теоретический анализ и экспериментальное исследование таких систем необходимы для обоснования оптимальных методик приготовления различных композиций. На основе проведенного критического анализа поставлены задачи исследования.

Во второй главе обосновываются режимы получения однородных составов для консервации и изготовления бумаги. Для получения однородного раствора необходимо в процессе перемешивания создать такую величину "внутреннего масштаба" турбулентности ( ?,0 ), при которой молекулярная диффузия успела бы за заданное время перемешивания обеспечить необходимую однородность распределения растворяемого вещества в объеме вихря масштаба ( Я0 )•

При заданном времени перемешивания ( ), условия перемешивания определяются зависимостью:

^ =22><гг V ,, , (1)

где с/ - диаметр мешалки;

/7 - скорость вращения мешалки;

2) - коэффициент диффузии молекул растворяемого вещества; )} - кинематическая вязкость раствора.

Проводится анализ процесса растворения порошкообразных веществ при турбулентном перемешивании. При рассмотрении кинетики растворе-

ния частиц, плотность которых близка к плотности растворителя, толщина гидродинамического пограничного слоя ( ¿С ) принимается равной внутреннему масштабу турбулентности. Тогда толщина диффузионного пограничного слоя (г/7) может быть представлена в виде:

Поток вещества с поверхности растворяющейся частицы в объем раствора определяется следующей зависимостью:

где С^- концентрация насыщения растворяющегося вещества по поверхности частицы; ^ - концентрация вещества в объеме раствора. Скорость изменения концентрации вещества в объеме раствора равна:

(3)

где V- объем раствора;

площадь поверхности растворяющихся часпщ. Площадь поверхности часпщ в процессе растворения определяется зависимостью:

ЬРС - агорт • 17 ск )

(5)

где Оо - исходная навеска порошкообразного вещества;

- начальный диаметр часпщ порошкообразного вещества;

- плотность часпщ порошкообразного вещества;

££ - концентрация растворенного вещества к момен ту ■

- конечная концентрация приготавливаемого раствора. Из уравнений (3), (4) и (5) следует уравнение кинетики растворения

порошкообразного вещества.

т (К?-**.

При получении растворов с концентрацией, близкой концентрации насыщения, зависимость концентрации раствора от времени перемешивания {.¿) определяется:

С--С

" (14. -А__Zí-t\3¿ ' (7>

г** 4-

где

При получении растворов с концентрацией намного меньше концентрации насыщения, аналогичная зависимость имеет вид:

(8)

Полное время растворения вещества в этом случае составит:

<Г № Л с/го

При анализе кинетики расгеорепия порошкообразных неорганических веществ, плотность частиц («г^ ) которых в 2 - 3 раза превьлнаег плотность водной ( Асо ) фазы, необходимо учитывать влияние эффекта пограничного слоя и, естественно, скорость переноса вещества с поверхности частиц. В этом

случае дня частиц, исходный размер которых больше внутреннего масштаба турбулентности, полное время растворения составит:

Для частиц, исходный размер которых меньше внутреннего масштаба турбулентности, полное время растворения составит:

Результаты расчетов полного времени растворения по уравнениям (10) и (11), выполненных в диссертационной работе, показали, что время растворения частиц неорганического вещества определяется временем уменьшения их размера до величины внутреннего масштаба турбулентности. Дальнейшее их растворение благодаря малому размеру частиц (7-10 мкм) и высокой скорости переноса вещества с их поверхности в объем раствора происходит за доли секунды.

Кинетические уравнения (7), (8), (10) и (11) описывают процесс растворения веществ при условии постоянства значений вязкости раствора и коэффициента диффузии молекул растворяемого вещества, что не соблюдается при получении растворов полимеров. Зависимость эффективной вязкости раствора полимера от его концентрации может быть описана эмпирическим уравнением:

(Ю)

(11)

(12)

где

- эффективная вязкость раствора полимера при концентрации С (% вес);

- вязкость растворителя;

О о - базовая концентрация раствора полимера; Ксс! ~ эмпирические константы. Коэффициент диффузии молекул полимера в растворе может быть оценен по уравненщо:

~ /С Г & 0,29

где К - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура;

длина элементарного звена цепи полимера;

N а— степень полимеризации;

Л - д лина кинематического сегмента;

- эффективная динамическая вязкость раствора.

В результате подстановки уравнений (12) и (13) в уравнение (6) кинетики растворения порошкообразного вещества при условии, что плотность порошкообразного полимера близка к плотности растворителя, и выполненного численного решения уравнения (6) предложена приближенная зависимость полного времени растворения порошкообразного полимера:

сг ГЖр ^ ^ л

где

(14)

]/ - среднее значение кинематической вязкости раствора полимера;

плотность растворителя.

Рассматриваются задачи растворения в поде низкомолекулярных органических жидкостей и разбавления водой растворов полимера. В обоих случаях самопроизвольному смешению препятствует вязкость органической фазы (органическая жидкость или раствор полимера). При перемешивании органическая фаза разбивается на элементы, размер которых приблизительно равен внутреннему масштабу турбулентности, возникающему, в оргашпеской фазе. Процесс дальнейшего разбавления концентрированного раствора полимера или растворение низкомолекулярного оргшшческого вещества можно рассмотреть как процесс растворения жидких элементов, подчиняющийся полученному ранее кинетическому уравнению растворения порошкообразного вещества. Полное время растворения органической жидкости определяется зависимостью:

/ 2

( 60 $ )

~1 %г

Ур Ух 3)4* • с/

(15)

Полное время разбавления концентрированного раствора полимера определяется:

<Г - / / 60 1* Ур • & ^

кинематическая вязкость исходного концентрированного раствора полимера органической жидкости; среднее значение кинематической вязкости разбавленного раствора полимера..

Проведено теоретическое обоснование подготовки растворов формальдегида для использования в практике консервации документов.

Коэффициент диффузии отдельных молекул формальдегида в диффузном пограничном слое элементов полимерного осадка, на которые он разбивается при перемешивании, определяется:

где 2)0' коэффициент диффузии отдельных молекул формальдегида: 2/д. - энергия активации деполимеризации. С учетом уравнения (17) время деполимеризации (осветление) раствора формальдегида определяется:

Третья глава посвящена описанию экспериментального оборудования, средств и методов измерения. Описывается экспериментальная установка для получения однородных композиций, используемых в работах по консервации документов на бумажной основе. Размеры реактора, мешалки и отражательных перегородок выбраны из условия максимальной турбули-зации перемешиваемого объема при сравнительно низких значениях чисел Рейнольдса перемешиваю«. Измерения концентрации раствора проводили по косвенным параметрам при помощи рН-метра.

Полное время растворения порошкообразного вещества определяется по зависимости мутности взвеси частиц в воде от времени ее перемешивания. Измерение мутности взвеси проводилось на фотоэлектрическом колориметре ФЭК-М-56 в диапазоне длин волн видимого света.

Цолное время разбавления полимеров и растворения органических жидкостей в растворителе определяется, как время установления постоянного значения коэффициента преломления пучка света, проходящего через слой исследуемого раствора.

Для определения вязкости полимерного осадка формальдегида изготовлена установка капиллярной вискозиметрии. В отличие от стандартных вискозиметров истечение полимерного осадка через капилляр осуществляется под действием перепада давления, создаваемого водоструйным вакуум-насосом.

Апробация режимов подготовки высоковязких составов проводилась на опытном стенде, моделирующем процесс приготовления композиции. Основным элементом конструкции которого является роторно-пульсаци-онный аппарат, обеспечивающий высокую степень дробления дисперсном фазы на частицы с характерным размером меньше внутреннего масштаба турбулентности. Определение долговечности бумаги, производили по методикам характеризующим прочность и ее изменения в процессе старения.

Четвертая глава посвящена экспериментальной проверке теоретических обоснований процессов получения однородных составов для консерватш документов и изготовления бумаги, обсуждение научных результатов.

Установлено полное время получения однородных растворов. Определено время установления однородности разбавленных растворов полимеров. Определено время растворения порошкообразных неорганических веществ и порошка мегшлцеллюлозы. Представлены результаты приготовления однородных композиций на промышленных предприятиях отрасли. Такие композиции должны отвечать требованиям высокой дисперсности и однородности распределения частиц по размерам.

В табл. 1 представлены результаты теоретического расчета и экспериментального определения по уравнению (10) полного времени растворения специально подготовленных частиц углекислого кальция в растворе соляной кислоты, демонстрирующие выполнения удовлетворительного согласия экспериментальных и расчетных величин.

Таблица 1

Сравнительные результаты определения времени полного растворения частиц углекислого кальция

скорость

вращения число 5 мм 10 мм 15 мм

мешалки. Рей- экспер. расч. экспер. расч. экспер. расч.

об/мин нольдах знач. знач. знач. знач. знач. знач.

сек. сек. сек. сек. сек. сек.

50 5950 12 10 20 16 25 21

100 11900 7 5 10 8 15 10

В табл. 2 представлены результаты теоретического расчета и экспериментального определения полного времени разбавления концентрированного раствора метилцеллюлозы. При экспериментальном анализе влияния однородности раствора полимера на качественные показатели бумаги установлено, что для обеспечения необходимых физико-механических и технологических свойств обрабатываемой бумаги необходимо использовать однородные растворы полимера, не содержащие нерастворимые частицы. В тонком однородном слое раствора, нанесенного на поверхность листа бумаги, меньше вероятность наличия ослабленных мест, трещин, пор, проплешин, образующихся при высыхании, что может привести к искажению информативности документа. Исследование влияния раствора полимера на качество склейки двух листов бу-

маги показало, что только при образовании сплошной равномерной пленки гарантируется отсутствие пузырей при склейке и пробивании клеевого слоя на обратную сторону листа. При использовании неоднородного клеевого раствора в 27 образцах из 30 наблюдались различные дефекты.

Таблица 2

Данные времени получения однородного раствора при разбавлении концсшрнрованных расгворов метилцеллюлозы

в экспериментальном реакторе при перемешивании

концентрация концентрация число Рей- полное время

исходного разбавленного. нольдса разбавления

раствора раствора при переме- экспер. знач. расч. знач.

полимера, % полимера, % шивании, %

7.5 1 10 688 1 час 30 мин. 1 час 5 мин.

7.5 0.5 35 360 20 17.5

5 1.5 4170 40 38

5 1 10618 15 14

5 0.5 3 570 3 4

2.5 1.5 4170 5.5 5

2.5 1 10618 3 2

В табл. 3 представлены результаты теоретического расчета и экспери ментального определения полного времени растворения в воде порошкообразной метилцеллюлозы.

Таблица 3

Результаты определения полного времени растворения порошкообразной метилцеллюлозы от скорости вращения мешалки

концентрац. скорость

Получаем. вращения число d 0.05 мм d 0.015 мм

раствора, % мешалки, Рейно- экспер. расч. экспер. расч.

об/мин льдса знач. знач. знач. знач.

мин. мин. мин. мин.

250 42 11 10 3.5 3

3 500 84 7 6 2 1.8

900 151 4 3.8 1.5 1.1

900 50 14 12.7 5 3.8

1200 66 10 10.3 4 3.1

4 1500 -83 10 8.7 3 2.6

1800 100 9 7.6 2 2.3

2000 111 8 7 2 2.1

2000 42 20 20.2 7 6.1

5 2500 52 20 17.1 6 5.1

2750 57 18 15.9 5 4.8

3000 62 15 14.9 5 4.5

В табл. 4 представлены результаты экспериментального определения полного времени осветления растворов формальдегида в результате перемешивания при нагревании. Перед обработкой растворов отбирались пробы осадка полимергидратов формальдегида и измерялась плотность (ареометром) и вязкость на специально сконструированной установке. Вязкость осадка полимергидратов формальдегида можно рассматривать как характеристику "старения" раствора, ограничивающий возможность его осветления за технологически приемлемое время.

Таблица 4

Экспериментально установленное время полного осветления раствора

формальдегида при перемешивании

№ образца динамическая вязкость осадка, Па • с отношение кинематич. вязкости осадка к кинематич. вязкости воды (степень старения осадка) полное время визуального осветления раствора формальдегида

4 20.6 1.7 • Ю4 2 мин

5 55 4.6 • 104 3 мин

6 103.2 8.6-104 4 мин 20 сек

7 137.6 1.15- 105 5 мин 30 сек

8 206 1.72- 105 7 мин

9 ' 275 2.29 • 105 8 мин 40 сек

10 413 3.44 • 103 11 мин 35 сек

11 550 4.58 • 105 15 мин

Значение относительной вязкости исследованных образцов осадка полимергидратов формальдегида лежат в диапазоне 2 • 104 н- 5 • 105. Расчетное время полного осветления раствора формальдегида для данного диапазона значений относительной вязкости осадка лежит в интервале от 1 мин. до 14.7 мин. Экспериментально установленный интервал времени осветления составляет от 5.5 мин до 15 мин, т.е. теоретические расчеты согласуются с результатами эксперимента, что подтверждает обоснованность предложенного уравнения кинетики деполимеризации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен теоретический и экспериментальный анализ кинетики процессов растворения твердых порошкообразных веществ и органических жидкостей при получении композиций, используемых для консервации документов на бумажной основе в аппарате с интенсивной турбулентностью.

2. На основе теории изотропной турбулентности разработаны кинетические уравнения процессов растворения порошкообразных полимеров, порошковых неорганических веществ, органических жидкостей и

разбавления концентрированных растворов полимеров.

3. Установлена зависимость параметров режима получения однородных композиций от физических свойств компонентов и условий перемешивания.

4. Выполнен экспериментальный анализ влияния растворов полимеров, используемых для укрепления и склейки бумаги на ее механические показатели.

5. Разработано теоретическое обоснование и проведена экспериментальная отработка методики подготовки для практического использования в работах по консервации документов, растворов формальдегида, содержащих осадок полимергидратов.

6. Разработаны экспериментальные установки по исследованию условий приготовления однородных составов.

7. Разработан способ управления технологическим процессом эмульгирования для получения составов используемых в процессе приготовления бумаги и ее обработке.

8. Проведены опытно-промышленные испытания получения однородных растворов в производственных условиях.

Основные положения диссертации изложены в публикациях:

1. Никифоров А.О., Коршаков A.B., Сергеев ЕЛО. Усовершенствование технологии приготовления клея на основе фенолформальдегидной смолы '// Химия и технология бумаги и картона. Межвуз. сб. науч. тр. / ЛТА.-Л., 1990.-С. 27-28.

2. Никифоров А.О., Коршаков A.B., Авербух Ю.И., Сергеев Е.Ю. Использование насоса-диспергатора для получения раствора полиакрил-амида // Хим. и нефт. машиностроение. - 1990. - № 11. - С. 14-15.

3. Сергеев Е.Ю., Никифоров А.О. Опыт внедрения в производство экологически чистых лакокрасочных материалов II Организация комплексных мероприятий природоохранной деятельности на предприятиях: Тез. докл. Российск. межотрасл. науч.-практ. конф., дек. 1993 г. - СПб ГТУРП,СПб, 1993.-С. 149-152.

4. Сергеев Е.Ю. Внедрение новых технологических процессов на предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности с участием научно-технических обществ бумажной и деревообрабатывающей промышленности. - Л.: О-во "Знание; РСФСР, ЛО, ЛДНТП, 1990. - 32 с.

5. A.C. 1832048 СССР^ МКИ*, BOl F V,o, Способ управления процессом эмульгирования / Ю.И. Авербух, A.B. Коршаков, А.О. Никифоров, В.В. Пожитков, Е.Ю. Сергеев (СССР). - 3 с.

6. Сергеев Е.Ю., Терентьев O.A., Дробосюк В.М. Подготовка композиций для реставрации документов на бумажной основе. - СПб: БАН, 1997.- 60 с.

Ризограф тир.100 экз. 10.09.97 000 РНК "Аоток"

/2 3 -4

Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОРОДНЫХ СОСТАВОВ ДЛЯ КОНСЕРВАЦИИ ДОКУМЕНТОВ НА БУМАЖНОЙ ОСНОВЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ БУМАГИ

05. 21. 03 — "Технология и оборудование химической переработки древесины; химия древесины"

на правах рукописи

СЕРГЕЕВ ЕВГЕНИЙ ЮРЬЕВИЧ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

А

Научный руководитель доктор технических наук О.А. Терентьев

Санкт-Петербург - 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..........................................................................................................4

1. Обзор литературы по консервации документов и процессам приготовления однородных композиций. Постановка проблемы и задачи исследования

1.1. Консервация документов на бумажной основе......................................9

1.2. Стабилизация и реставрация документов

на бумажной основе......................................................................................12

1.3. Основные рецепты и способы приготовления композиций для стабилизации и реставрации бумажных

носителей информации.................................................................................19

1.4. Реакторы смешения................................................................................25

1.5. Турбулентное движение жидкости.......................................................33

1.6. Кинетика растворения...........................................................................39

1.7. Гидродинамические условия приготовления эмульсий, используемых в технологии волокнистых материалов...............................45

1.8. Выводы из литературного обзора и задачи исследования...................49

2. Теоретическое обоснование режимов получения однородных растворов

2.1. Анализ процесса смешения низкомолекулярных компонентов

с растворителем при приготовлении однородных растворов.....................51

2.2. Обоснование режима получения однородных растворов...................58

2.3. Кинетика процесса растворения порошкообразных

полимеров......................................................................................................75

2.4. Кинетика процесса получения низкомолекулярных жидкостей

и разбавления растворов полимеров............................................................87

2.5. Кинетика деполимеризации формальдегида в растворе......................94

2.6. Факторы, определяющие качество проклеивающих составов

в производстве бумаги..................................................................................97

3. Экспериментальное оборудование для получения однородных растворов и композиций. Методика проведения экспериментов

3.1. Экспериментальная установка для исследования процессов получения однородных растворов.............................................................105

3.2. Определение растворения порошкообразного вещества

по мутности взвеси.....................................................................................107

3.3. Определение однородности раствора по коэффициенту преломления света......................................................................................108

3.4. Определение вязкости осадков полимергидратов формальдегида методом капилярной вискозиметрии...............................110

3.5. Опытный стенд для апробации режимов подготовки

проклеивающих составов...........................................................................113

4. Экспериментальная проверка процессов получения

однородных растворов и композиций, обсуждение полученных результатов

4.1. Получение однородных растворов при перемешивании встряхиванием.............................................................................................120

4.2. Определение полного времени растворения неорганических веществ, в зависимости от размера частиц................................................123

4.3. Получение водных растворов порошка метилцеллюлозы.................124

4.4. Время установления однородности разбавленного

раствора полимера......................................................................................129

4.5. Необходимое время осветления формальдегида

при перемешивании....................................................................................131

4.6. Анализ влияния однородности растворов полимеров

на качественные показатели бумаги..........................................................135

4.7. Промышленное приготовление проклеивающих составов, используемых в производстве бумаги.......................................................141

4.8. Приготовление водорастворимых красок

для нанесения на бумагу текстуры древисины.........................................147

4.9. Технология получения флокулянтов...................................................150

4.10. Способ управления процессом эмульгирования..............................154

4.11. Краткие итоги работы, выводы.........................................................157

Литература...................................................................................................163

Приложения.................................................................................................174

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации.

Документы, хранящиеся в фондах библиотек - книги, газеты, журналы, плакаты, карты, рукописные и машинописные архивные материалы, -выполнены в основном на бумаге и неуклонно разрушаются в процессе хранения и использования. Естественное старение, нарушение режима хранения, неаккуратность читателей - основные причины потери большого количества ценностей культуры и искусства.

Причиной значительного снижения долговечности документа являются стихийные бедствия, пожары и наводнения. Пожар 1988 года, произошедший в Библиотеке Академии наук и в феврале 1997 в библиотеке Пулковской обсерватории уничтожил большое количество изданий, много книг обгорело и было залито водой.

Восстанавливать такие материалы особенно сложно. В результате старения и повреждения документа может наступить потеря прочности, эластичности, износ, выцветание, пигментация, вымывание проклеивающих, наполняющих и связующих веществ. Под действием высокой температуры происходит ороговение волокон листа бумаги. В конечном счете происходит разрушение документа, характеризуемое полной или частичной утратой эксплуатационных свойств.

Поэтому, поврежденные документы необходимо изолировать от неповрежденных и провести комплекс восстановительных работ. При этом необходимо учитывать сегодняшнее состояние документа и перспективы состояния документа через несколько лет.

Это связано также и с тем, что отрицательные стороны внедрения, из-за недостаточно полно научно обоснованных методик проведения технологических процессов выявляются через какой-то промежуток времени. И неизвестно, какие новые проблемы возникнут в процессах

долговечности документов. Кроме того, нельзя недооценивать, тот факт, что оригинал документа имеет важное значение, как памятник письменности конкретного исторического периода времени [61].

Совокупность свойств, характеризующих пригодность документа для использования, составляет эксплуатационные свойства документа. В это понятие входит: прочность - способность документа противостоять механическим воздействиям, эластичность - способность документа к обратимым деформациям после механических воздействий, износостойкость - способность документа противостоять истиранию при пользовании и др. [36; 68].

Состояние документа, характеризуемое степенью удержания эксплуатационных свойств, определяет сохранность документа, которая может быть различной в зависимости от характера старения документа -изменения свойств документа вследствии естественного разрушения входящих в его состав материалов и повреждения документа и частичной утраты эксплуатационных свойств при нарушении правил использования документов.

Проблемы сохранности документов очень сложны и многообразны, поэтому требуют привлечения специалистов бумажной, полиграфической, химической и других отраслей промышленности. Учитывая классификацию, принятую в смежных отраслях науки и техники, консервацию и её составные части, стабилизацию и реставрацию, можно считать частью процесса обработки бумаги с целью обеспечения её сохранности в процессе длительной эксплуатации [31]«

Для замедления старения, устранения повреждений, предотвращения разрушения производят консервацию документов путем стабилизации, реставрации и обеспечения необходимого режима хранения. Производится обработка листов бумаги документа с целью направленного улучшения их

потерянных потребительских свойств при сохранении важнейших функциональных свойств [6].

К настоящему времени проведены и проводятся исследования по обработке документов на бумажной основе различными композициями. Однако имеющиеся данные недостаточно систематизированы. В ряде работ описаны процессы термического старения бумаги, разрушения структуры бумаги под воздействием химических, физических и биологических факторов. Чаще всего такие работы проводились без учета специфических особенностей производства бумаги. Не проводятся исследования по приготовлению однородных композиций и их влияние на долговечность документа в процессе длительной эксплуатации.

Обеспечение сохранности документов представляет собой непрерывный единый процесс, при котором с целью достижения конечного результата предполагается развитие работ по целому ряду направлений. В процессах консервации документов и в процессах изготовления бумаги используются в основном одинаковые вещества. Некоторые технологические процессы и в том и в другом случае можно считать тождественными. Их различие состоит в аппаратурном оформлении, но ход процессов подчиняются общим закономерностям. Поэтому процессы производства бумаги и процессы консервации документов на бумажной основе необходимо рассматривать как составляющие одного процесса -изготовления бумаги и обеспечение долговечности документов на бумажной основе в процессе, их длительной эксплуатации.

Одним из технологических этапов процесса обработки бумаги является приготовление композиций, представляющих собой истинные растворы низко и высокомолекулярных веществ. Так например, в процессе реставрации документ упрочняют введением в основу бумаги упрочняющей композиции или наслоением на лист упрочняющего материала. Обработку бумаги готовыми жидкими композициями производят разными путями:

погружением, распылением, нанесением на поверхность кистью или с помощью различных механизмов. Происходит "механический технологический процесс" обработки листов бумаги, при котором могут изменяться внешние или физические свойства с целью повышения долговечности в процессе длительной эксплуатации. При изготовлении и обработке бумаги используют жидкие композиции, приготовленные на основе клеев, масел, красок, солей и других соединений. Компоненты должны образовывать достаточно однородную композицию, обладающую стабильностью свойств в течении заданного технологического цикла. Эти композиции получают в производственных условиях, как правило в химических реакторах различного типа. Однако, из-за несовершенства технологии и аппаратурного оформления процесса приготовления составов, они могут быть неоднородными, иметь малую агрегативную и кинетическую устойчивость, невысокую дисперсность.

Недостаточное развитие научно обоснованных методов расчета режимов растворения компонентов в перемешиваемой среде не позволяет проводить полноценную оптимизацию химико-механических превращений с учетом конкретных технологическиз условий. Только однородные композиции обеспечивают требуемое качество, как при изготовлении бумаги, так и при консервации документов на бумажной основе.

Целью настоящей работы является исследование, анализ и оптимизация технологических схем, оборудования процессов приготовления однородных составов, используемых для стабилизации и рестарации документов и изготовления бумаги, с целью повышения их долговечности в процессе эксплуатации.

Научная новизна состоит в разработке теоретической модели процессов растворения и разбавления систем: "твердое тело - жидкость" и "жидкость - жидкость", имеющих плотность растворяемых веществ близкую к

плотности растворителя, изменяющуюся по ходу растворения, вязкость раствора.

Работа выполнялась в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ по теме: "Разработка проблем безопасности Библиотеки Российской Академии наук и сохранности библиотечных фондов" сроком 1994-2000 годы. Работа также выполнялась в соответствии с Российской Государственной научно-технической подпрограммой на период до 2000 года "Комплексное использование древесного сырья" - по разделу 2 -Разработка новых технологий процесса производства бумаги и целлюлозных композиционных материалов.

Автор защищает:

1. Зависимость параметров режима получения однородных композиций (составов) от физических свойств компонентов и условий перемешивания.

2. Теоертические положения кинетики процессов растворения твёрдых порошкообразных веществ и органических жидкостей при получении составов, используемых для консервации документов на бумажной основе, в аппарате с интенсивной турбулентностью.

3. Влияние однородности растворов полимеров, используемых для укрепления и склейки бумаги на ее механические показатели.

4. Методику подготовки для практического использования в работах по консервации документов раствора формальдегида, содержащего осадок полимергидрага.

5. Внедрение результатов в производство.

Диссертант выражает глубокую благодарность к.х.н. заведующему проблемной лабораториейДробосюку В.М. ик.т.н. доценту Никифорову А.О. за консультации и содействие в проведении опытов.

~ 9 -

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО КОНСЕРВАЦИИ ДОКУМЕНТОВ И ПРОЦЕССАМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОДНОРОДНЫХ композиций. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Консервация документов на бумажной основе

В фондах библиотек, архивов, музеях находится огромное количество документов на бумажной основе. На документах текст и рисунок могут быть выполнены как самим автором, так и с помощью механических способов нанесения изображения. И все они подвергаются пассивному или активному разрушению. Самой большой проблемой предотвращения разрушения и сохранения источников самых разнообразных сведений является проблема физической, материальной сохранности. Необходим дифференцированный подход к сохранности с учетом свойств каждого документа, характера использования, чтобы не только предотвратить повреждения вызываемые различными факторами и обеспечить долговечность, но и создать условия для длительного функционирования документа в конкретных условиях. Проблемы разрушения документов постоянно изучаются и обсуждаются специалистами. Но универсальных технологий по реставрации и стабилизации нет и не может быть, так как документы находящиеся в разных хранилищах подвергаются разрушению по разному. Бумага изготовленная ручным способом на заре развития бумажного производства существенно отличается от бумаги изготовленной в настоящее время. Поэтому долговечность документа определяется первоначально исходными материалами, а затем уже условиями физической сохранности, как правило во всех документах должен быть сохранен их первоначальный внешний вид, что создает очень специфические особенности в работе реставраторов.

Физическая сохранность документа обеспечивается его консервацией. Консервация документа - это обеспечение сохранности документа посредством режима хранения, реставрации и стабилизации.

[30]. Характеризуя режим хранения документов, отмечают световой, температурно-влажностный и санитарно-гигиенический режимы.

Важным направлением работ по восстановлению утра^нных свойств документа в процессе длительной эксплуатации является стабилизация и реставрация. На рис. 1.1., 1.2. представлены схемы реставрации и стабилизации [36] поврежденных фондов.

Рис. 1.1. Структурная схема реставрации документов на бумажной основе

Рис. 1.2. Структурная схема стабилизации документов на бумажной основе

Как видно из схемы для стабилизации и реставрации используются различные композиции. Приготовление разных по назначению жидких композиций представляет собой достаточно сложный процесс, зависящий как от исходных материалов, так и условий достижения требуемой однородности. Поэтому необходимо провести системный анализ процессов приготовления _ композиций за технологически допустимое время.

1.2. Стабилизация и реставрация документов на бумажной основе

Стабилизацию и реставрацию документов выполняют с учетом характера и степени повреждений, условий последующей эксплуатации, сохраняя признаки подлинности документов и не создавая затруднений для использования. Повреждения документов и методы их устранения представлены в табл. 1.1.

Среди наиболее полных характерных повреждений документов можно отметить следующие:

выцветание и пожелтение бумаги, образование разнооттеночного ореола вокруг букв резко ухудшающего четкость текста, миграция связующего на оборотную сторону и соединение листа;

разрушение бумаги под действием зеленой краски; разрушение бумаги при старении текста, выполненного железогало-геновыми чернилами, угасание текста;

механический износ, утраты части листа, разрывы, общее или частичное загрязнение, повреждение бумаги и текста пле