CC BY
126
УДК 676.038.2
БУМАГООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА ВТОРИЧНЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ ВОЛОКОН
© А.В. Кулешов* А. С. Смолин
Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, ул. Ивана Черных, 4, Санкт-Петербург, 198095 (Россия) E-mail:cool-e-show@yandex.ru
В статье исследовано влияние цикличного использования макулатуры на показатели прочности материалов на ее основе. Проведено моделирование процесса цикличности с использованием целлюлозных полуфабрикатов. Изучено влияние цикличности на фракционный состав и длину волокна различных видов целлюлозы.
Ключевые слова: макулатура, цикличность, бумагообразующие свойства, ороговение, фракционный состав, водоудерживающая способность.
Введение
В отличие от первичных волокнистых полуфабрикатов макулатурная масса (ММ) представляет собой многокомпонентную систему, которая характеризуется высокой полидисперсностью и неоднородностью по компонентному составу и состоит из:
- смеси волокон различного происхождения и состояния;
- включений неволокнистого характера с различной плотностью, природой и происхождением.
Главное отличие вторичных полуфабрикатов заключается в изначально пониженных бумагообразующих
свойствах по сравнению с первичными волокнами. Волокна в результате влияния технологических стадий изготовления бумаги и картона (роспуск, размол, сушка, отделка и т.д.), а также процессов переработки бумаги и картона (например, процессы гофрообразования) приобретают новые физические свойства, которые являются причиной ухудшения бумагообразующих свойств вторичного волокна.
Вторичные волокна характеризуются:
- значительным изменением физических и химических свойств по сравнению с первичными волокнами;
- пониженной прочностью индивидуальных волокон;
- ухудшением способности волокон к набуханию, гидратации и внутреннему фибриллированию;
- повышенной восприимчивостью к измельчению;
- значительной потерей способности к образованию межволоконных химических водородных связей. Отдельно необходимо выделить проблему цикличности использования макулатуры (многократное использование макулатуры в процессе производства бумажно-картонной продукции). Эта проблема является скрытой, так как на сегодняшний день невозможно определить количество производственных циклов с участием вторичного волокна, т.е. сколько раз макулатурные волокна подвергались роспуску, размолу, сушке и т.д.
Экспериментальная часть
Пониженные бумагообразующие свойства вторичных волокон приводят к тому, что продукция вырабатываемая на их основе имеет более низкие значении прочности по сравнению с материалами из первичных полуфабрикатов.
* Автор, с которым следует вести переписку
Авторами статьи были проведены исследования влияния цикличности на показатели прочности материалов из макулатуры. В работе исследовалась макулатура марок: МС-4А: использованные мешки бумажные невлагопрочные (без битумной пропитки, прослойки и армированных слоев), МС-5Б: отходы производства и потребления гофрированного картона, бумаги и картона, применяемых в его производстве, МС-8В: отходы производства и потребления газет и газетной бумаги [1].
Роспуск и размол макулатуры проводился в лабораторном ролле фирмы «Lorentzen&Wettre». Размол осуществлялся с целью более полного разделения пучков и сгустков на отдельные волокна. На следующем этапе на листоотливном аппарате «Rapid-Kothen» были изготовлены образцы массой 1 м2 - 100 г. У полученных образцов определялись показатели: разрушающее усилие P, энергия, поглощаемая при растяжении образцом до разрушения ТЕА, деформация ер, разрывная длина L, сопротивление излому N. Число циклов повторного использования - 4. Результаты представлены в таблице 1.
Изучение вопроса цикличности невозможно при исследовании промышленной макулатуры. Это объясняется следующим соображением. Классический метод исследования предусматривает изменение только одного фактора, тогда как при применении промышленных марок макулатуры, кроме изучаемого, неизбежно будут меняться и другие факторы, такие как наличие наполнителя, проклеивающих и связующих веществ, а также композиция макулатуры.
Поэтому особое значение приобретают исследования в рамках лаборатории, где может быть осуществлено моделирование процесса цикличности. При этом целесообразно в качестве объекта исследования использовать не промышленную макулатуру, а первичные полуфабрикаты.
Авторами были проведены исследования влияния цикличности на водоудерживающую способность WRV, фракционный состав массы из целлюлозных полуфабрикатов. Также было определено влияние цикличности на среднюю L^ и проекционную L^ длину волокон данных полуфабрикатов [2]. Размол проводился в лабораторной мельнице PFI до значения 35 0ШР, кроме нулевого цикла, где степень помола соответствовала степени помола исходной товарной целлюлозы. Показатель WRV определялся методом центрифугирования. Фракционный состав определялся на лазерном анализаторе длины Kajaani FS300 фирмы Metso. Метод основан на лазерном сканировании водной волокнистой суспензии с высокой степенью разбавления. Результаты представлены в таблицах 2 и 3.
Как следует из полученных данных (табл. 1), наблюдается снижение прочности материалов на основе макулатурного волокна с каждым последующим циклом переработки. Это обусловлено снижением бумагообразующих свойств вторичных волокон.
Снижение бумагообразующих свойств вторичных волокон обусловлено явлением «необратимого» ороговения, физический смысл которого заключается в снижении величины характеристики водоудержания волокнистой массой при ее центрифугировании. Это явление косвенно выражается в уменьшении способности волокон к набуханию и гидратации в процессе размола и выдерживания макулатурной массы перед подачей на машину.
Таблица 1. Влияние цикличности использования макулатуры на показатели прочности
Номер цикла МС-4А МС-5Б МС-8В
P, Н TEA, Дж/м2 Єр, % L, м N, ч.д.п. P, Н W g Єр, % L, м N, ч.д.п. P, Н TEA, Дж/м2 Єр, % L, м N, ч.д.п.
i 54,48 62,82 2,5 37G2 233 47,G4 3G,89 i,8 3i92 7i 3i,32 25,46 i,7 2i2i iG
2 45,96 47,96 2,3 3i2i i84 45,84 29,9G i,5 3iii 57 3i,G8 2i,G2 i,6 2iii 7
3 44,88 39,2G i,9 3G49 i22 4G,32 2G,55 i,2 2733 48 24,24 i4,98 i,5 i642 4
4 36,84 29,G6 i,8 2499 83 34,G8 i6,58 i,2 23i 5 3G 22,2G i2,66 i,4 i5G9 3
Таблица 2. Влияние цикличности на водоудерживающую способность и длину волокна
Номер цикла Сульфатная беленая хвойная целлюлоза (сосна) Сульфатная беленая лиственная целлюлоза (береза) Сульфатная небеленая хвойная целлюлоза (сосна)
WRV, % Lсp, мм Lпp, мм WRV, % Lo^ мм Lпp, мм WRV, % Lop, мм Lпp, мм
G 98,G 2,31 i,9G iG2,5 i,GG G,87 i 86,G 2,38 2,G4
i 2i 9,5 2,G9 i,73 i 92,G G,97 G,82 2GG,G 2,32 i ,87
2 i87,G i ,88 i,5i i65,G G,98 G,82 i84,G 2,24 i ,84
3 i78,5 i ,85 i,44 i75,5 G,99 G,83 i79,5 2,i 8 i ,68
4 i57,G i ,86 i,47 i6i,G G,93 G,78 i64,5 2,i 8 i ,65
5 i58,G i,8i i,42 i62,5 G,96 G,82 i68,G 2,ii i ,57
Таблица 3. Влияние цикличности на фракционный состав целлюлозных полуфабрикатов
Сульфатная беленая хвойная цел- Сульфатная беленая лиственная Сульфатная небеленая хвойная
люлоза (сосна) целлюлоза (береза) целлюлоза (сосна)
Номер м м 0 ю о" 1 0 гч м м 0 м м 0 о, 0 ,2 2,00-3,00 мм м м 0 о К" - 0 ,0 3, м м 0 ю - 0 ,2 0, м м 0 2 м 0 ,0 -2 0 ,2 м м 0 о, - 0 ,0 2, м м 0 о К" - 0 ,0 3, м м 0 ю - 0 ,2 0, 2 м 0 м м 0 о, 0 ,2 м м 0 о, - 0 ,0 2, м м 0 о К" - 0 ,0 3,
цикла
0 чо 0, - 0 ,6 0, - 0 ,6 0,
0 23,1 22,5 22,0 20,5 11,9 21,8 62,4 15,5 0,3 0,0 24,0 19,3 20,7 23,1 12,9
1 38,5 22,2 17,4 14,2 7,8 25,1 61,6 12,9 0,4 0,0 26,1 20,1 20,9 21,4 11,5
2 42,7 23,7 16,2 12,0 5,4 24,0 61,7 14,1 0,3 0,0 26,4 20,8 21,3 21,0 10,5
3 43,3 24,7 15,7 11,4 4,9 24,1 61,3 14,2 0,4 0,0 28,0 22,1 21,5 19,2 9,2
4 42,4 24,7 16,5 11,4 5,0 28,5 61,5 9,9 0,1 0,0 26,4 22,7 21,3 20,6 9,0
5 43,5 25,4 16,2 10,5 4,4 27,0 60,4 12,3 0,3 0,0 28,0 22,9 22,5 18,7 8,0
Данные таблицы 2 показывают, что цикличное использование целлюлозных полуфабрикатов снижает водоудерживающую способность исследуемых волокон.
Снижение величины водоудерживающей способности начинается с сухости 30...35 % и продолжается до 70.. .80%. Причем это явление происходит не за счет усадки волокон, так как наибольшая усадка наблюдается при сухости 80%. С повышением сухости начинаются морфологические изменения в стенке волокна. Стенки под действием капиллярных сил начинают приближаться друг к другу, микропоры сжимаются. Усадка происходит исключительно под прямым углом между слоями стенок волокон, стенки при этом становятся тоньше. К концу сушки происходит удаление воды из аморфной части целлюлозы, наблюдается полное исчезновение пор диаметром менее 1 нм.
Усадка при сухости более 80% необратима. Повторное набухание не способствует восстановлению первоначальных размеров волокна. Под воздействием сушки наблюдается потеря эластичности волокна, увеличивается его хрупкость, снижается гибкость, уменьшается жесткость клеточной стенки.
Кроме вопросов, связанных с ороговением, интересным представляется вопрос, связанный с явлением термодеструкции полисахаридов при сушке. Полисахариды устойчивы к нагреванию примерно до температуры 100 °С, а при дальнейшем нагревании начинают разрушаться со все возрастающей скоростью, при этом гемицеллюлозы оказываются более чувствительны к нагреванию, чем целлюлоза. Гемицеллюлозы аморфны, что объясняет их меньшую устойчивость к термической деструкции по сравнению с целлюлозой. Например, деструкция макромолекул ксилана начинается при температуре 120-140 °С с образованием фрагментов макромолекул [3]. А, как известно, наличие гемицеллюлоз положительно сказывается на прочности бумаги.
В связи с этим необходимо отметить, что явление термодеструкции не следует отождествлять только с процессом сушки в сушильной части машины, но необходимо считаться и с другими более высокотемпературными процессами:
- горячая термодисперсионная обработка, осуществляется при температуре 130-150 °С в течение 68 мин (проведенные исследования подтвердили отрицательное влияние данной термообработки на прочностные свойства волокон ММ) [4];
- переработка картона и бумаги для гофрирования в гофрокартон. Температура гофроматериалов при прохождении через гофроагрегат может достигать 160-180 °С, при этом гофрокартон после станка поперечной резки направляется в зону отлежки для обеспечения полного схватывания клея (этот процесс может длиться несколько суток). А если учесть, что большая часть картона и флютинга изготавливается из макулатуры или с ее добавлением, то процессы гофроообразования становятся наиболее значительными с точки зрения снижения бумагообразующих свойств.
Кроме явлений, связанных с воздействием температуры, можно выделить еще одну группу процессов, ухудшающих бумагообразующие свойства вторичного волокна. Это процессы, связанные с роспуском и размолом. Эти технологические процессы сопровождаются разрушением волокнистой структуры, что приводит к увеличению количества мелких волокон и обрывков, увеличивается количество наружных повреждений - это сжатия, вмятины и скручивания. И, как следствие, наблюдается ухудшение фракционного состава ММ - увеличивается доля коротковолокнистой фракции и снижается доля длинноволокнистой и средневолокнистой фракции. Это хорошо иллюстрируют данные таблиц 2 и 3.
Наряду с увеличением доли мелочи одновременно происходит и ее активное удаление в технологических процессах (провал волокна под сетку и удаление мелочи из потока с избыточной оборотной водой). Причина этого явления заключается в том, что наружные фибриллы частиц мелочи скручиваются или разрушаются, после чего частицы легко удаляются. Особенно это характерно для целлюлозы из лиственных пород древесины.
Также снижению бумагообразующих свойств макулатурных волокон способствуют частицы, пассивные к образованию химических связей между волокнами (частицы наполнителя, технологические добавки, связующие, частицы типографской краски и т.д.). Эти добавки, используемые в композиции бумаги или картона, при повторной переработке макулатуры переходят в разряд «неактивных» компонентов, которые не способны образовывать связи с волокном, и по своим свойствам близки к свойствам наполнителя. При этом часть этих компонентов не удаляется на стадиях подготовки ММ, а остается на целлюлозных волокнах, блокируя гидроксильные группы, тем самым снижая бумагообразующие свойства этих волокон.
Выводы
1. При многократном использовании макулатуры наблюдается снижение прочности материалов на ее основе с каждым последующим циклом переработки. Это обусловлено снижением бумагообразующих свойств вторичных волокон.
2. При цикличном использовании наблюдается снижение водоудерживающей способности волокон, а также снижение средней длины волокна.
3. При цикличном использовании волокон наблюдается ухудшение фракционного состава массы - увеличивается доля коротковолокнистой фракции и снижается доля длинноволокнистой и средневолокнистой фракции.
Список литературы
1. ГОСТ 10700-97. Макулатура бумажная и картонная. Технические условия.
2. Смолин А.С., Кулешов А.В., Николаев Е.С. Бумагообразующие свойства растительных волокон при их неоднократном использовании // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2006. Пилотный научный выпуск. С. 27-31.
3. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров. СПб., 1999. 628 с.
4. Технология целлюлозно-бумажного производства: В 3 т. Т. 1: Сырье и производство полуфабрикатов. Ч. 3:
Производство полуфабрикатов. СПб., 2004. 316 с.
Поступило в редакцию 18 октября 2007 г.
