Д.В. Слаутин, М.В. Теплоухова, Р.Э. Андраковский Повышение прочности бумаги, изготовленной из макулатурной массыfile-1. Д.В. Слаутин, М.В. Теплоухова, Р.Э. Андраковский Повышение прочн. Изготовленной из макулатурной массы
 Скачать 0.67 Mb.
|
|
В Е С Т Н И К П Н И П У 2018 Химическая технология и биотехнология № 1 113 DOI: 10.15593/2224-9400/2018.1.10 УДК 676.2 Д.В. Слаутин, М.В. Теплоухова, Р.Э. Андраковский Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ БУМАГИ, ИЗГОТОВЛЕННОЙ ИЗ МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ Макулатура является источником вторичного волокна, пригодного в качестве сырья для бумажно-картонного производства и, в первую очередь, для тарного кар- тона и упаковочных видов бумаги. В сравнении с первичными вторичные волокна ха- рактеризуются пониженными бумагообразующими свойствами (пониженной проч- ностью индивидуальных волокон; слабой способностью к образованию межволокон- ных связей и механическому сцеплению волокон в процессе формования полотна). Снижение бумагообразующих свойств макулатурных волокон неизбежно про- исходит в процессах первичного изготовления и переработки бумаги и картона в из- делия, во время эксплуатации готовых изделий, а также в процессах подготовки ма- кулатурной массы. Снижение бумагообразующего потенциала вторичных волокон происходит в результате ороговения поверхности, термической деструкции, укорочения и ослаб- ления индивидуальных волокон, а также снижения пластичности и способности во- локон набухать. Бумагообразующие свойства макулатурной массы в значительной степени зависят от количества циклов переработки вторичного волокна. Из литературных данных следует, что прочность бумаги, изготовленной из макулатурных волокон, можно повышать как на стадии подготовки макулатурной массы, так и на стадии производства бумаги и картона из макулатуры. Наиболее эффективным способом улучшения бумагообразующих свойств макулатурной массы является разработка и внедрение новых и совершенствования существующих тех- нологий и оборудования. Особое значение в производстве бумаги (картона) из макулатуры приобрета- ет использование вспомогательных химических веществ (ВХВ). Резерв повышения прочности бумаги при добавке эффективных ВХВ оценивается в 15–20 %. Возрас- тающее значение для формирования с помощью ВХВ бумагообразующих свойств бу- маги на основе вторичных волокон имеет осуществление контроля за физико- химическими и электрокинетическими параметрами бумажной массы. Данная работа написана на основе обзора литературы об изготовлении бума- ги и картона из вторичных волокон. Ключевые слова: макулатура, вторичные волокна, восстановление бумагооб- разующих свойств, прочность бумаги, вспомогательные химические вещества, электрокинетические параметры. Д.В. Слаутин, М.В. Теплоухова, Р.Э. Андраковский 114 D.V. Slautin, M.V. Teploukhova, R.E. Andrakovsky Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation IMPROVING THE STRENGTH OF PAPER FROM WASTE PAPER Waste paper is a source of the secondary fiber suitable as raw materials for paper and cardboard production and, first of all, for container cardboard and packing types of paper. In comparison with primary secondary fibers are characterized by low paper- forming properties (low strength of individual fibers; weak ability to form fiber-to-fiber connections and mechanical adhesion of fibers in the process of forming the web). Reduction of paper-forming properties of waste paper fibers inevitably occurs in the processes of primary production and processing of paper and cardboard in the product, during the operation of finished products, as well as in the preparation of waste paper. Reduction of paper-forming potential of secondary fibers occurs as a result of surface keratinization, thermal degradation, shortening and weakening of individual fibers, as well as reduction of plasticity and ability of fibers to swell. Paper-forming properties of waste paper weight largely depend on the number of cycles of recycling of secondary fiber. It follows from the literature data that the increase in the strength of paper made of waste fibers can be formed both at the stage of preparation of waste paper, and at the stage of production of paper and cardboard from waste paper. The most effective way to improve paper-forming properties of waste paper is the development and implementation of new and improvement of existing technologies and equipment. Of particular importance in the production of paper (cardboard) from waste paper is the use of auxiliary chemicals (AC). The reserve of increasing the strength of the paper when adding effective AC is estimated at 15-20 %. An increasing importance for the formation of paper-forming properties of paper on the basis of secondary fibers with the help of AC is the monitoring of physical and chemical and electrokinetic parameters of the paper mass. In this paper, a review of the literature in the field of paper and paperboard production on the basis of secondary fibers is given. Keywords: waste paper, secondary fibre, recovery paper-forming properties, the strength of paper, auxiliary chemicals, electro-kinetic parameters. Основным свойством бумаги и картона является прочность. В по- следние десятилетия различные виды бумаги и картона, особенно та- роупаковочные виды, изготавливаются с использованием макулатуры. Учитывая нестабильность свойств и пониженную прочность вторич- ных волокон, можно понять особую актуальность повышения прочно- сти картонно-бумажной продукции. Повысить прочность бумажного (картонного) полотна без знания отличительных особенностей и причин снижения бумагообразующих свойств вторичных волокон, без понимания природы и механизма свя- зеобразования между волокнами невозможно. Повышение прочности бумаги, изготовленной из макулатурной массы 115 Основные различия первичных и вторичных волокон В отличие от первичных полуфабрикатов волокнистая масса из макулатуры представляет собой многокомпонентную систему, которая характеризуется высокой полидисперсностью и неоднородностью по компонентному составу. Макулатура может состоять из смеси волокон различного происхождения и состояния (волокна беленых и небеленых видов целлюлозы, древесной массы, полуцеллюлозы, полученных из различных пород древесины различными способами с применением различных химикатов); набора включений неволокнистого характера и различной плотности, природы и происхождения (частицы наполни- теля, типографской краски, связующих и проклеивающих веществ). При этом в макулатурной массе присутствуют включения, не только применяемые в композиции бумаги, но и попавшие при сборе, транс- портировке и упаковке макулатуры, например, песок, скотч, канатно- веревочные материалы и т.д. [1–3]. Главное отличие вторичных волокон от первичных волокон – по- ниженные бумагообразующие свойства. В результате прохождения технологических стадий первичного изготовления бумаги и картона (размол, прессование, сушка, отделка и т.д.), а также процессов переработки бумаги и картона (процессы гоф- рообразования, сушки гофрокартона) и подготовки макулатурной массы волокна приобретают новые физические свойства, которые являются причиной ухудшения бумагообразующих свойств вторичного волокна. Вторичные волокна характеризуются следующими отличитель- ными особенностями бумагообразующих свойств [4]: 1) пониженной прочностью индивидуальных волокон; слабой способностью к образованию межволоконных связей в процессе фор- мирования полотна и механическому сцеплению волокон; 2) ухудшением способности волокон к набуханию, гидратации и внутреннему фибриллированию; 3) повышенной восприимчивостью к измельчению в процессе рос- пуска и размола и, как следствие, ухудшением фракционного состава; Важным аспектом использования макулатуры в качестве сырья для бумажного производства является цикличность использования ма- кулатуры (многократное использование макулатуры в процессе произ- водства бумажно-картонной продукции). Увеличение циклов исполь- зования макулатуры сопровождается снижением бумагообразующей способности вторичных волокон, накоплением мелких волокон и ми- Д.В. Слаутин, М.В. Теплоухова, Р.Э. Андраковский 116 неральных примесей в массе. Эта проблема является скрытой [5], так как на сегодняшний день невозможно определить количество произ- водственных циклов с участием вторичного волокна, т.е. сколько раз макулатурные волокна подвергали роспуску, размолу, сушке и т.д. Причины снижения бумагообразующих свойств вторичных волокон В работах [6, 7] ухудшение бумагообразующих свойств вторичных волокон объясняется явлением «необратимого» ороговения, физический смысл которого заключается в снижении величины показателя водо- удержания волокнистой массой при центрифугировании. В результате ороговения часть функциональных групп гемицеллюлоз, участвующих в межволоконном связеобразовании, блокируются. Ороговение косвен- но выражается в уменьшении способности волокон к набуханию и гид- ратации в процессе размола и аккумулирования макулатурной массы перед подачей на машину. Кроме того, теряется прочность самого во- локна, оно становится более хрупким и ломким. Большое влияние на ухудшение бумагообразующих свойств во- локна оказывает термическая деструкция, которая имеет место в про- цессах изготовления бумаги и картона. Изучение термодеструкции по- лисахаридов при сушке показывает [8], что полисахариды устойчивы к нагреванию примерно до температуры 100 °С, при дальнейшем ее по- вышении они начинают разрушаться со все возрастающей скоростью, при этом гемицеллюлозы более чувствительны к нагреванию, чем цел- люлоза. Гемицеллюлозы аморфны, что объясняет их меньшую устойчи- вость к термической деструкции по сравнению с целлюлозой. Напри- мер, при температуре 120–140 °С начинается фрагментация макромоле- кул ксилана, что отрицательно сказывается на прочности бумаги. Термодеструкция полисахаридов и волокон в целом происходит и в процессах подготовки макулатурной массы и, в первую очередь, при термодисперсионной обработке (ТДО). Горячая термодисперсион- ная обработка осуществляется при температуре 130–150 °С. Проведен- ные исследования [9] показали отрицательное влияние ТДО на проч- ностные показатели бумаги, изготовленной из вторичных волокон. Технология переработки картона и бумаги для гофрирования в гофрокартон также включает высокотемпературные процессы. Тем- пература гофроматериалов при прохождении через гофроагрегат мо- жет достигать 160–180 °С [10]. Учитывая, что большая часть тест- Повышение прочности бумаги, изготовленной из макулатурной массы 117 лайнера и флютинга изготавливается из макулатуры или с ее добавле- нием, то процессы гофрообразования становятся наиболее значимыми с точки зрения снижения их бумагообразующих свойств. Кроме явлений, связанных с воздействием температуры, исследо- ватели [4, 11] выделяют еще одну группу процессов, ухудшающих бу- магообразующие свойства вторичного волокна. Это процессы, связан- ные с роспуском и размолом, которые сопровождаются разрушением структуры волокна, что приводит к увеличению количества как мелких волокон, обрывков, так и наружных повреждений (сжатия, вмятины и скручивания). Как следствие, наблюдается ухудшение фракционного состава макулатурной массы – увеличивается доля коротковолокни- стой фракции и снижается доля длинноволокнистой и средневолокни- стой фракций [11]. Наряду с увеличением доли мелочи одновременно происходит и ее активное удаление в технологических процессах (про- вал волокна под сетку, удаление мелочи из потока с избыточной обо- ротной водой). Причина этого явления заключается в том, что наруж- ные фибриллы частиц мелочи скручиваются или разрушаются, после чего частицы легко удаляются. Особенно это характерно для целлюло- зы из лиственных пород древесины. В работах [12, 13] отмечается, что снижению бумагообразующих свойств макулатурной массы способствуют частицы наполнителя, техно- логические добавки, связующие, частицы типографской краски и др., т.е. частицы, пассивные к образованию химических связей между волокнами. Связующие, используемые в композиции бумаги или картона, при по- вторной переработке макулатуры переходят в разряд «неактивных» ком- понентов, которые не способны образовывать связи с волокном. Часть этих компонентов не удаляется на стадиях подготовки макулатурной мас- сы, а остается на целлюлозных волокнах, блокируя гидроксильные груп- пы и тем самым снижая возможность образования межволоконных связей и, следовательно, бумагообразующие свойства волокон. Пути восстановления бумагообразующих свойств вторичных волокон и повышения прочности бумаги на их основе По сути, все стадии подготовки макулатурной массы направлены на сохранение и восстановление бумагообразующих свойств вторич- ных волокон с целью получения массы, качество которой конкурирует с качеством массы из первичных волокон. Полностью разница в каче- стве, в первую очередь прочности, не может быть преодолена, так как макулатурные волокна всегда более деструктированы. Д.В. Слаутин, М.В. Теплоухова, Р.Э. Андраковский 118 Анализ литературы [4, 7] показывает, что прочность бумаги, из- готовленной из макулатурных волокон, можно повышать как на стадии подготовки макулатурной массы, восстанавливая бумагообразующие свойства вторичных волокон, так и на стадии производства бумаги и картона на их основе. Схемы переработки макулатуры сложнее, чем схемы подготовки бумажной массы, что обусловлено отличительными особенностями вторичного сырья. Стадиями подготовки массы являются: разволокне- ние макулатуры, грубая и тонкая очистка, грубое и тонкое сортирова- ние, фракционирование массы, дополнительный размол волокон или диспергирование массы. Разволокнение макулатуры. Для эффективного роспуска необ- ходимо использовать гидроразбиватели, специально предназначенные для работы с макулатурой, с правильно подобранными конструктив- ными элементами (тип ротора, количество направляющих ребер и т.д.) и режимом работы [1]. Конструктивные особенности гидроразбивателя определяют все по- следующие операции технологического процесса переработки макулату- ры. Изначально эффективное разволокнение с полным разделением ма- кулатурного сырья на отдельные волокна в гидроразбивателе сокращает количество используемого оборудования для подготовки макулатурной массы, а следовательно, уменьшает воздействие на волокна. Очистка и сортирование. Задача этих операций – более полное удаление загрязнений различного характера. При этом загрязнения не- обходимо выводить из потока на более ранних стадиях переработки макулатуры, чтобы исключить их измельчение или изменение формы. В современных схемах переработки вторичного волокнистого сы- рья следует применять фракционирование либо для разделения суспен- зии на длинноволокнистую и коротковолокнистую фракции, либо для отделения нуль-волокна с последующим удалением его из потока [14]. Нуль-волокна представляют собой ороговевшие фибриллы и мельчай- шие обрывки волокон, которые по влиянию на процессы бумажного производства подобны зольным элементам. Значительно повысить прочностные и деформационные характе- ристики бумажного листа, увеличить эффективность действия катион- ного крахмала, вводимого в качестве связующего позволяет удаление отработанного крахмального связующего из вторичного волокона [15]. Размол. На предприятиях по переработке макулатуры в большин- стве случаев дополнительный размол используют. Однако ряд авторов считает [11], что это не очень оправдано, так как размол не всегда улуч- Повышение прочности бумаги, изготовленной из макулатурной массы 119 шает бумагообразующие свойства, а в случае с макулатурой часто их снижает, что обусловлено значительным укорочением волокон и повы- шением жесткости бумажного листа. Кроме того, процесс размола явля- ется весьма энергоемким. В современных условиях на отечественных предприятиях доля энергетических затрат составляет не менее 50 % от себестоимости бумаги и картона. Поэтому повышение энергоемкости технологии изготовления бумаги и картона, в частности за счет более длительного процесса размола, снижает ее конкурентоспособность. В ряде работ [1, 4, 11] отмечается, что целесообразно дополни- тельному размолу подвергать только грубую длинноволокнистую фракцию, отделенную в процессе фракционирования. При этом харак- тер размола должен быть фибриллирующим (включая внутреннее фибриллирование) с минимальным укорочением волокна. Следует понимать, что возможность улучшения бумагообразую- щих свойств вторичного волокна в процессах подготовки макулатур- ной массы ограничена. Эффективным, но дорогим ресурсом повыше- ния прочности бумаги и картона на основе вторичных волокон являет- ся внедрение современных технологических решений и оборудования в производство бумаги и картона. Некоторые технические решения описаны в работе А.С. Смолина с соавторами [16]. Для картоноделательных машин непременным условием повы- шения прочности материала является многослойное формование. Мно- гослойные материалы всегда прочнее однослойных при сравнимой композиции. При выпуске картона на основе вторичных волокон этот тезис подтверждается неоднократно, многослойное формование мате- риалов из макулатуры дает значительно больший эффект в сравнении с производством материалов из первичных волокон. Весьма эффективно в производстве материалов на основе вторич- ных волокон использование прессовых частей картоноделательных и бу- магоделательных машин с одним или несколькими прессами с широкой зоной прессования. При этом наряду с увеличением прочности бумажно- го и картонного полотна благодаря уплотнению волокон во влажной сре- де появляется возможность достичь требуемой сухости бумаги и картона с сохранением на определенном уровне толщины материала, что крайне важно для обеспечения показателей жесткости картона. В значительной мере повышению качества бумаги и картона на ос- нове вторичного волокна способствует работа современного пленочного клеильного пресса. Использование эффективных клеевых систем не толь- ко обеспечивает водостойкость и прочность поверхности материала, но Д.В. Слаутин, М.В. Теплоухова, Р.Э. Андраковский 120 и способствует упрочнению материала в целом благодаря диффузии свя- зующего реагента на определенную глубину в наружных слоях бумаги и картона и образованию дополнительных межволоконных связей. Воз- можный потенциал увеличения показателей прочности и жесткости мате- риалов на основе вторичных волокон благодаря созданию современных технологических потоков может составить 35–40 %. В последние годы особое значение в производстве бумаги (кар- тона) из макулатуры приобретает использование связующих ВХВ, предназначенных для интенсификации межволоконного связеобразо- вания, следствием чего является повышение прочности. В качестве связующих предлагается целый ряд химических реагентов, как прави- ло, полимерного характера. |