CC BY
61
УДК 676.038.2
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССА РАЗМОЛА НА РАВНОМЕРНОСТЬ ФОРМОВАНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ОТЛИВОК
© Е.С. Николаев1, И. Каянто1, А. С. Смолин2, Я.А. Зайцева3
1Lappeenranta University of Technology, Faculty of Technology, Laboratory of Paper Technology, Lappeenranta, Finland (Финляндия), e-mail: egor.n@mail.ru 2Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, ул. Ивана Черных, 4, Санкт-Петербург, 198095 (Россия)
3Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
им. С. М. Кирова, Институтский переулок, 5, Санкт-Петербург, 194021 (Россия)
В ходе данной работы было изучено влияние процесса размола на морфологические и геометрические свойства волокон, равномерность формования лабораторных отливок, электрокинетические свойства волокон и волокнистых суспензий. Тенденция волокнистых суспензий к флокуляции оценивалась с помощью комплексных критериев - линейный заряд и краудинг-фактор, учитывающих как морфолого-геометрические, так и коллоидно-химические свойства волокон. Было изучено влияние процесса размола на скорость обезвоживания волокон, а также влияние обезвоживания на равномерность формования отливок. Была установлена связь между показателем линейного заряда волокна и индексом формования.
Ключевые слова: формование, размол, заряд, зета потенциал, флокуляция, краудинг-фактор.
Работа выполнена при финансовой и научно-технической поддержке UPM-Kymmene Oyj и International Doctoral Programme in Pulp and Paper Science and Technology (PaPSaT).
Введение
Однородность структуры бумажного листа, наряду с композицией и массой метра квадратного бумажного полотна, является очень важной характеристикой, определяющей многие производственные и эксплуатационные характеристики бумаги и картона. Неравномерность макроструктуры бумаги негативно влияет на показатели безобрывной проводки, печатные и прочностные свойства бумаги, так как неоднородность макроструктуры бумаги - это не только неоднородность распределения ее структурных элементов, но и неоднородность её физических свойств. Общепринятым является то, что недостаточная равномерность макроструктуры и есть основная причина производства бумаги низкого качества [1-3].
Флокуляция волокон суспензии является одним из определяющих процессов, влияющих на равномерность формования бумаги. Уровень флокуляции волокнистой суспензии зависит от вида волокнистого материала и параметров его размола. Длина, диаметр, фракционный состав, жёсткость, поверхностные свойства, поверхностный заряд и форма волокон - характеристики волокнистого материала, влияющие на флокуляцию волокнистой суспензии [3-6].
Наряду с вышеперечисленными факторами, относящимися главным образом к свойствам волокнистого материала, стоит отметить, что на тенденцию волокон к флокуляции также влияют факторы, определяющиеся производственными параметрами, такими как концентрация волокна, вязкость, температура, концентрация химических добавок и уровень турбулентности потока волокнистой суспензии. Флокуляция
- очень сложный процесс, который может быть описан только посредством комплексных критериев, суммирующих как факторы, способствующие флокуляции, так и факторы, препятствующие ей [5, 7].
* Автор, с которым следует вести переписку.
Множество научных трудов посвящено явлению флокуляции, а также влиянию данного процесса на степень неоднородности структуры бумаги. Пионером в данной области исследований был Майзон с его теорией критической концентрации волокон. Майзон изучал влияние концентрации волокнистой суспензии и геометрии волокон на степень флокуляции и формование (просвет) бумажного листа соответственно. По его теории, в сильно разбавленной суспензии каждое волокно, вращаясь вокруг своего центра, создает сферу с диаметром, равным длине волокна (рис. 1). При концентрациях ниже критической столкновения данных сфер имеют редкий и хаотичный характер, при концентрациях выше критической - частый и закономерный характер [8].
Следующей ступенью в изучении тенденции волокнистых суспензий флокулироваться была разработка концепции краудинг-фактора (1995 г.). Из данной концепции следует: если две волокнистые суспензии, приготовленные из различных полуфабрикатов, имеют одинаковый краудинг-критерий N то данные суспензии имеют одинаковую склонность к флокуляции. Краудинг-критерий может быть рассчитан по следующим формулам:
N = - • Су •( — 3 I ё
(1)
где N - краудинг критерий, характеризующий флокуляцию; С - объемная концентрация волокон в суспензии; Ь - средневзвешенная длина волокна; d - диаметр волокна [8];
N =
5 • Ст • —
т
2
(2)
где Ст - массовая концентрация, выраженная в процентах; Ь - средневзвешенная длина волокна в метрах; ю - показатель жёсткости волокна, (кг/м) [9].
На рисунке 2 представлена иллюстрация, отображающая физический смысл критерия краудинг.
Рис. 1. Концепция теории критической концентрации [8]
Рис. 2. Иллюстрация к теории краудинг-фактор, N = 5 [5]
Анализируя формулу (2), можно заметить, что краудинг-критерий включает в себя как параметры геометрии волокна, так и концентрацию волокна в суспензии - наиважнейшие характеристики волокнистой суспензии, которые, как известно, имеют исключительное влияние на тенденцию волокна к флокуляции [7, 9, 10]. Показатель жесткости волокна также играет большую роль в процессе флокуляции. Жесткость определяется как единица массы волокна на единицу длины волокна, она зависит от диаметра волокна, толщины и плотности клеточной стенки. Волокна с высокой жесткостью имеют толстую клеточную стенку. В то же время тонкостенные волокна обладают высокой гибкостю и делают лист бумаги более плотным. Жесткие волокна делают бумагу более прочной, но, с другой стороны, высокая жесткость волокон служит одной из причин получения бумаги с плохим просветом [11].
Интересными являются критерии, выведенные А.С. Смолиным [2, 4]. Данные критерии определяют тенденцию бумажной массы к структурообразованию и флокуляции. Один из этих критериев - удельное водоудержание №уд, физический смысл которого - количество воды, поглощаемое волокном на единицу площади поперечного сечения. Расчет показывает, что №уд прямо пропорционально произведению средневзвешенной длины волокна на степень водоудержания.
2
Wуд = Ь ^Я¥ .
(3)
Другим критерием бумажной массы, определяющим тенденцию к структурообразованию и флокуляции, является линейный заряд, т.е. величина электрокинетического потенциала, отнесённая к длине волокна. Физический смысл этого критерия - величина заряда, приходящаяся на единицу длины волокна. Оба критерия объединяют параметры, относящиеся к дисперсности системы с коллоидно-химическими параметрами, и могут служить основанием для регулирования структуры бумаги в процессе размола.
Проблема получения бумаги с неоднородной структурой очень интересна с точки зрения экономии сырья. Назхад (2000) изучал просвет лабораторных отливок. Неоднородность структуры лабораторных отливок была оценена с помощью нормализованного индекса формования. Результаты неоднородности структуры отливок были сравнены с результатами сопротивления на разрыв. Он обнаружил, что лабораторные отливки, имевшие более однородную структуру, были как минимум на 30% прочней, чем отливки с облачным просветом. Показатели формования бумаги (индекс формования), произведенной на БДМ, примерно в два раза выше (хуже), чем показатели формования лабораторных отливок, что объясняется, главным образом, большой разницей в концентрации суспензий и отсутствием машинной ориентации при приготовлении лабораторных отливок. Мартин Хуббе считает, что однородность бумаги возможно увеличить до такой степени, что ее прочностные характеристики будут эквивалентны бумаге с той же композицией, но с увеличенной массой метра квадратного, примерно на 10%. Таким образом, производство бумаги с более однородным просветом позволит сократить массу квадратного метра бумаги примерно на 10% при сохранении прочности. Понижение этой массы бумаги приведет к экономии сырья, а, как следствие этого, к удешевлению готовой продукции [8].
Влияние процесса размола на структуру и свойства волокон. Размол - механический процесс, при котором волокна в водной среде испытывают расщепляющие и режущие воздействия. Цель размола -структурные изменения клеточной стенки волокна посредством применения механической энергии. Изменения, протекающие в процессе размола, можно разделить на две группы - первичные и вторичные. К первичным относятся: внешнее и внутреннее фибриллирование, укорочение волокна, образование мелкой фракции, структурные изменения, микрокомпрессии, скручиваемость и освобождение химических компонентов. Вторичные объединяют все остальные эффекты и изменения свойств волокна, которые происходят в течение размола. Во время размола расщепление внутренней структуры волокна увеличивается и фибриллы отделяются друг от друга, что приводит к увеличению гибкости волокон. Более гибкие волокна склонны к построению более прочной и однородной структуры [3, 12-14].
Посредством механического воздействия связи, ограничивающие набухание гемицеллюлоз, стремительно разрушаются, что приводит к выпрямлению волокна. Внешняя фибрилляция сопровождается удалением первичной стенки, что делает доступным фибриллы вторичной стенки. Главный результат внешней фибрилляции - это увеличение площади поверхности волокон, что приводит к возрастанию количества связей между волокнами во время процесса сушки. Также во время внешней фибрилляции образуется волокнистая мелочь [12-14].
Относительно эффекта процесса размола на формование было установлено, что при отливе бумаги в промышленных условиях (концентрация суспензии ~ 0,5^2%) размол благоприятно влияет на индекс формования [3]. Это главным образом объясняется изменением длины волокна и увеличением времени обезвоживания. Замедление обезвоживания даёт больше времени волокну, а главным образом волокнистой мелочи достичь и заполнить регионы с меньшей плотностью волокнистого материала [3, 15]. Ухудшение формования посредством размола возможно за счёт внешней фибрилляции волокон при их постоянной длине. Размол улучшает формование бумаги лишь только тогда, когда эффект укорочения волокна доминирует над эффектами фибрилляции и выпрямления волокна [16, 17]. В условиях отлива на лабораторном листоотливном аппарате было установлено, что размол негативно влияет на формование за счет ухудшения дренажа [17].
(3)
Экспериментальная часть
Использованные волокнистые полуфабрикаты: 1) сульфатная хвойная белёная (сосна); 2) сульфатная лиственная белёная (береза); 3) сульфатная лиственная белёная (эвкалипт).
Волокна каждого полуфабриката были размолоты на лабораторной мельнице в соответствии со стандартом (SCAN-C 25 : 76). Каждый полуфабрикат был размолот до 20, 30, 40, 60, 70 и 80 градусов Шоппер-Риглера. Фракционный состав волокна в суспензии после размола определялся на оптическом анализаторе длины (L&W Fibre Tester). С целью изучения влияния процесса размола на поверхностный заряд волокон электрокинетический потенциал измерялся методом потенциала протекания. Проводимость и pH образцов определяли на лабораторных pH-метрах и кондуктометрах. Отливки с массой метра квадратного 60 и 100 г/м2 изготавливались на лабораторном листоотливном аппарате с дальнейшим прессованием и сушкой в соответствии с методикой SCAN CM 11:95, ISO 5269-1.
После сушки образцы выдерживались в лаборатории со стандартными условиями (23 °С, 50%). Степень неоднородности структуры отливок измерялась на приборе Ambertec, основанном на пропускании через образец P-радиации, источником которой является Прометениум-147. Данный прибор оценивает степень неравномерности макроструктуры как стандартное отклонение массы метра квадратного на участках листа малой площади. Для сравнения образцов с различным граммажом правильней использовать нормализованное стандартное отклонение массы метра квадратного. Нормализованное стандартное отклонение рассчитывается делением стандартного отклонения граммажа на квадратный корень массы метра квадратного образца.
Результаты и их обсуждение
Из приведенных в таблице 1 результатов видно, что как и геометрические, так и морфологические характеристики волокна изменяются закономерно во время размола. Показатель жесткости падает во время размола у всех испытуемых образцов. Как уже говорилось выше, жесткость определяется как единица массы волокна на единицу длины волокна, таким образом, падение данного показателя свидетельствует об уменьшении массы волокна. Так у волокон сосны можно наблюдать 10%, у березы - 5%, а у эвкалипта - 22% снижения массы. Масса, потерянная волокном во время размола соответствует массе фракции волокнистой мелочи. Увеличение диаметра волокна объясняется внешней фибрилляцией и набуханием волокна в процессе размола. Наряду с жесткостью и диаметром волокна во время размола, происходит изменение длины волокна. Как видно из рисунка 3, длина волокна в процессе размола изменилась существенно, для сосны примерно на 11%, для березы -примерно на 17% (при размоле до 20 °ШР и 70 °ШР). Изменение длины, диаметра и жесткости волокна определили степень изменения краудинг критерия N и характеристическое отношение (отношение длины к диаметру). Размол инициирует противоположно направленные процессы в отношении склонности волокнистой суспензии к флокуляции. С одной стороны - укорочение волокна, уменьшение жесткости, краудинг-фактора и падение значения характеристического отношения приводит к снижению флокуляции; с другой стороны, во время размола образуется сильно фибрилированная коротковолокнистая фракция - мелочь, которая, заполняя дренажные каналы между волокнами, ухудшает дренажные свойства суспензии. Стоит отметить, что при размоле, волокна, как и мелкая фракция, фибриллируются и выпрямляются, - что увеличивает тенденцию волокнистой суспензии к флокуляции. Ухудшение дренажа в случае отлива на листоотливном аппарате приводит к увеличению времени обезвоживания, а это, в свою очередь, создает благоприятные условия для флокуляции (отсутствие диспер-гирующиих механических воздействий и повышение концентрации суспензии вследствие удаления воды).
Таблица 1. Морфологические и геометрические характеристики волокна
°ШР °SR Сосна (Pine) Береза (Birch) Эвкалипт (Eucalyptus)
L, mm D, |im C, ^g/m L/D N F, % L, mm D, ^m C, ^g/m L/D N F, % L, mm D, ^m C, ^g/m L/D N F, %
20 2,168 23,7 146,1 43,5 3,63 4,6 0,943 21,1 110,8 32,0 2,06 4,1 0,728 14,8 46,3 49,2 1,02 5,2
30 2,136 23,7 144,4 41,5 3,35 5,0 0,897 21,8 108,6 28,8 1,81 4,9 0,678 15,8 44,8 42,9 0,92 7,1
40 2,119 24,6 140,9 39,6 3,36 5,5 0,903 22,0 97,4 28,5 2,02 5,5 0,659 16,1 43,4 40,9 0,89 7,4
50 2,061 24,3 139,4 38,5 3,14 5,9 0,873 22,5 110,0 26,5 1,61 6,0 0,662 16,4 42,7 40,4 0,92 7,8
60 1,986 24,6 137,3 36,2 2,89 6,4 0,836 22,7 107,3 25,1 1,51 7,1 0,643 16,8 40,6 38,3 0,91 8,7
70 1,928 24,7 131,3 34,5 2,76 7,2 0,781 23,8 105,5 21,8 1,27 7,5 0,631 17,4 36,2 36,3 0,98 9,8
L - средневзвешенная длина волокна, мм (length weighted fibre length,mm); D - диаметр волокна, мкм (fibres diameter, ^m); C - жесткость, мг/м (fibres coarseness, ^g/m); L/D - характеристическое отношение (aspect ratio); N - краудинг-критерий, рассчитанный по формуле (1.2) (crowding number); F - количество мелкой волокнистой фракции, % (fines content, %).
Из результатов, представленных на рисунке 3, видно, что наилучшая равномерность при формовании наблюдается в отливках, изготовленных из коротковолокнистого сырья с меньшим граммажом (береза 60 г/м2). Короткие волокна менее склонны к флокуляции, чем длинные, поэтому индекс формования для отливок, изготовленных из волокон березы, ниже, чем из более длинных волокон сосны. Разница в граммаже определяет разницу в концентрации отлива. Как видно из результатов, отливки, выполненные при меньшей концентрации, имеют лучшую равномерность формования. Стоит отметить, что краудинг-критерий N хорошо работает в случае суспензий, приготовленных из разных пород волокон. Так, например, для суспензий березы (всех степеней помола) краудинг-фактор N в два раза меньше, чем для суспензий сосны (см. табл. 1). Этот факт свидетельствует о том, что суспензии, приготовленные из волокон березы, имеют меньшую тенденцию к флокуляци, а отливки, изготовленные из данных суспензий обладают соответственно лучшей равномерностью формования. В случае же с образцами, приготовленными из одной целлюлозы с одинаковым граммажом, имеется противоречие между теорией и результатами. По теории суспензии с меньшим крау-динг-фактором обладают меньшей склонностью к флокуляции, а отливки из данных суспензий должны обладать лучшим формованием. Результаты же показывают, что равномерность формования отливок из более размолотой целлюлозы хуже, чем из менее размолотой. Данное разногласие объясняется тем, что снижение краудинг-критерия N нивелируется увеличением времени обезвоживания.
На рисунке 4 предоставлены результаты дополнительной серии экспериментов, в которой помимо дополнительного образца (эвкалипт) добавилась дополнительная точка помола.
В случае образцов из сосны и березы - тенденция ухудшения равномерности формования по мере увеличения степени помола сохранилась (рис. 4). Однако для образцов из эвкалипта происходит улучшение формования на первой стадии размола до 40 °ШР, затем вплоть до степени помола 70 °ШР индекс формования не изменяется и значительно увеличивается при помоле 80 °ШР (рис. 4).
Тенденцию к ухудшению формования лабораторных отливок вследствие размола можно объяснить ухудшением дренажа за счет роста мелковолокнистой фракции. В поддержку вышесказанного обратимся к рисунку 5, на котором приведены результаты изучения времени обезвоживания отливок, приготовленных из масс с различной степенью помола.
Результаты показывают, что время обезвоживания возрастает экспоненциально с повышением степени помола. Так, например, в результате повышения степени помола от 20 до 30 °ШР время обезвоживания увеличилось в среднем на 35%, а при повышении степени помола от 20 до 40 °ШР время обезвоживания возросло вдвое.
С целью подтверждения гипотезы о влиянии дренажа на равномерность формования отливок на листоотливной аппарат была установлена градуированная панель, с помощью которой стало возможно контролировать степень открытия клапана обезвоживания, следовательно, время отлива.
0,7 п
0.6 -
t £
),5 -
I S
ш —
о ®
о о -9- о 2^0,
,4 -
3 -
0.2-й
0,1
L- дтн.1 волокна (fi)re leiHjth. limit L= 1,928ft
L=1£86
L=2,119mm L=2,061 мм ——
t=2,168lBllBl Ь“2тЬ36мм
' ♦ "i " |
- - - ■ '
* ' ■ L=0,781 Ml
_=0 ,636mm
и L=0.873rufui
1 — П ЙОТ кял L=0,903rwiwi
L= 0,943мм
~г~
20 30 40 50 60 70
Степень го мола. *ШР; Refining degree,0 SR
_ Pine BW1 DO g/m2 — -Д-.-Pine BW60 g/m2 —+-----------------Birch BW100 g/m2
Сосна, 100г/м2 Сосна,60г/м2 Берёза ,100г/м2
-----Birch BW 60 g/m2
Берёза, 60г/м2
Рис. 3. Влияние процесса размола на индекс формования (отливки с меньшим значением индекса формования обладают более однородной структурой)
Рис. 4. Влияние процесса размола на формование отливок (масса м2 = 60 г/м2)
Так, например, на рисунке 6 точка, имеющая наименьшее значение времени обезвоживания, соответствует максимальной степени открытия клапана на листоотливном аппарате, точка с наибольшим временем обезвоживания - минимальной степени открытия клапана. Для каждого деления было изготовлено по пять отливок, с которыми впоследствии измерялся индекс формования. Из результатов, представленных на рисунке 6, видно, что увеличение времени обезвоживания ведет к ухудшению формования.
Влияние процесса размола на электрокинетические свойства волокон и волокнистых суспензий. Как видно из рисунка 7, на первых этапах размола (до 40^50 °ШР) наблюдается падение абсолютного значения ЭКП волокон как сосны, так и березы. При дальнейшем увеличении степени помола зета потенциал волокон березы не меняется существенно, для волокон сосны наблюдается тенденция к увеличению ЭКП.
Уменьшение электрокинетического потенциала по мере увеличения степени помола объясняется несколькими причинами. Во-первых, размол вызывает высвобождение химических веществ внутренней структуры волокна. Так, например, - гемицеллюлозы, имеющие большое количество карбоксильных групп (отвечающих за негативный заряд волокон растворенных в воде), переходят в фазу раствора, таким образом, увеличивая заряд раствора суспензии и уменьшая поверхностный заряд волокна. Во-вторых, при размоле происходит расширение гидратационного слоя, что ведет к снижению зета-потенциала. Также немаловажным фактором является то, что количество лигнина и экстрактивных веществ во внутренних слоях волокна меньше, чем во внешних (82 по сравнению со слоями Р и 81) [18]. Другими словами, процесс размола открывает новые поверхности волокон с меньшим количеством «заряженных» групп. Немаловажным фактором, влияющим на электрокине-тический потенциал и на поверхностную проводимость волокон, является плотность набивки целлюлозной диафрагмы (пористость волокнистого фильтрующего слоя на сетке электрода). Во время размола происходит фибрилляция, укорочение волокна и образование фракции волокнистой мелочи, что ведет к уменьшению пористости волокнистой пробки (увеличение плотности набивки). Гонзалез-Фернандес с соавторами (1983) обнаружил, что с увеличением плотности набивки целлюлозной диафрагмы значение поверхностной проводимости имело тенденцию к увеличению, а значение электрокинетического потенциала уменьшалось [19].
Тенденция к увеличению электрокинетического потенциала при высоких степенях помола для образцов из волокон древесины хвойных парод (см. рис. 7) можно объяснить большей ориентацией диполей воды на поверхности целлюлозных волокон вследствие раскрытия поверхности и реадсорбцией полимеров гемицеллюлоз из фазы раствора на поверхность волокна [20].
Результаты, представленные на рисунке 8, показывают, что увеличение степени помола является причиной увеличения проводимости волокнистой суспензии. Данная тенденция объясняется ростом концентрации ионов в растворе за счет высвободившихся и перешедших в раствор химических компонентов (гемицеллюлозы, лигнин, остаточные химикаты варки и отбелки). Также стоит учесть эффект плотности набивки целлюлозной диафрагмы на проводимость (смотри объяснения выше). Как показал Мартин Хуббе (2006), увеличение проводимости волокнистой суспензии имеет обратный эффект на значение зета-потенциала [21].
20
30
40
50
60
70
Степень Помола, ШР
в0
Refining degree, SR 'Берёза (Birch) □ Сосна (Pine) ■:'.■Эвкалипт(Eucalyptus)
0,4 -0,38 -0,36 -
R2 = 0,8323
_ s' ** "
И н' # ✓ *
II -
Время обезвоживания, сек Drainage time, sec
Рис. 5. Влияние степени помола бумажной массы на время обезвоживания при отливе (масса м2 = 60 г/м2)
Рис. 6. Влияние времени обезвоживания на равномерность формования отливок (отливки массой м2 = 60 г/м2 изготовлены из целлюлозы хвойных пород (сосна), степень помола 40 °ШР)
0,б4
0,б2
0,б
І Є 0,48
І <5 0,46
о £ 0,44
?£0,42
б
шоре
• >_
■ Сосна(Р1пв) к Берёза(В1геИ)
* N ▲
/ х v / / , |
* ■
it * Степень помола, 0 ШР
И Refining degree, 0 SR
£0р[
ЁОрС
70 рС
Т
1
^0
50
ШР
Степень п Refining degree,'J
п (Eucalyptus) Соска (Pine) (Biich)
, SR
Рис. 7. Влияние степени помола на значение электрокинетического потенциала
Рис. 8. Эффект процесса размола на проводимость волокнистой суспензии
На рисунке 9 можно увидеть, что во время размола среда волокнистой суспензии становится более кислой, особенно для образцов сосны и эвкалипта. Причиной этому послужило увеличение количества кислотных групп, которые были высвобождены из волокон и перешли в фазу раствора.
На рисунке 10 отображена зависимость индекса формования от показателя - линейный заряд. Для всех образцов, особенно для отливок, изготовленных из волокон березы, прослеживается тенденция к улучшению формования с увеличением показателя - линейный заряд. Данная тенденция объясняется тем, что при повышении ЭКП (значение которого входит в расчетную формулу показателя линейный заряд) возрастает сила отталкивания между одноименно заряженными частицами (волокно и волокнистая мелочь). Повышенные репульсионные силы разрушают образованные и препятствуют образованию новых флокул, что, в свою очередь, улучшает равномерность формования отливок.
+ ♦
* Т 1 1 4
II 1 1 ' ^ —
1 f ‘ ' ~! ! 1
- Г- .1
1 ^ * 1 ■ - т 1
Степень П01Л0ЛЛ. ШР
Refiiiiny degree, 0 SR
» Эвклшпт (Eucalyptus) — -Сосна (Pine) нБерега (Birch)
Рис. 9. Эффект процесса размола на водородный показатель pH для различных волокнистых суспензий
0,65 0JS
J - °'55
= 05
х —
о | 0,46
о « 0.4 “ о у Е
¥ V 0,35
I" 0S
0,25
02 50
♦ Сосна,60г/м2 Pine ,60g/m2
■
■ - tr - - . % R2 = 0,0773
[Г ^ А " "1 о ' R2= 0,3325
А ^ ^ _ □
R2 = 0,3504
90
100
110
Линейный заряд. iiB ijn Liniar charge CL. inV inrn
к Берёза,60г/м2 □ Берёза,100г/м2
Pine, 100 g/m2
Birch,S0g/mi2 Birch,100n/m2
Рис. 10. Зависимость равномерности формования лабораторных отливок от показателя линейного заряда
20
30
50
60
0
Выводы
1. По мере повышения степени помола были замечены следующие изменения геометрических и морфологических параметров волокна: уменьшение длины волокна, падение показателя жесткости волокна, увеличение диаметра волокна, падение характеристического отношения (Ь/О) и понижение краудинг-фактора N.
2. При изучении равномерности формования лабораторных отливок было установлено, что при прочих равных условиях формование отливок из лиственных пород древесины лучше, чем из хвойных (меньший индекс формования у образцов, произведенных из коротковолокнистого сырья). При сравнении отливок, произведенных при различных концентрациях волокна, было обнаружено, что равномерность формования отливок, произведенных при меньшей концентрации, лучше, чем при большей концентрации (сравнение отливок с разными значениями массы метра квадратного). Также наблюдалась тенденция к ухудшению равномерности формования отливок по мере увеличения степени помола.
3. Результаты испытаний лабораторных отливок показали тенденцию к ухудшению их формования по мере увеличения времени размола. Данные результаты противоречивы в масштабах реального производства, так как хорошо известно, что процесс размола позитивно влияет на равномерность формования листа. В рамках же лабораторных испытаний тенденция к ухудшению равномерности формования отливок
- закономерна и объясняется ухудшением дренажа по мере повышения степени помола. Для подтверждения гипотезы о влиянии процесса размола на дренаж были проведены серии экспериментов, результаты которых показали, что более помолотая волокнистая суспензия обладает большим временем обезвоживания, чем менее помолотая. Другими словами, экспериментально было доказано, что с увеличением градуса помола дренажные свойства ухудшаются. Также эффект дренажа на формование был изучен экспериментально. Результаты показали, что при повышении времени обезвоживания формование ухудшается, а при ускорении водоудаления на листоотливном аппарате -улучшается.
4. По мере увеличения степени помола массы для всех испытуемых образцов было отмечено падение абсолютного значения зета потенциала, увеличение проводимости волокнистой суспензии и повышение кислотности среды волокнистой суспензии.
5. Была установлена взаимосвязь между показателем - линейный заряд (отношение зета потенциала к средневзвешенной длине волокна) и равномерностью формования отливок. Образцы с высоким линейным зарядом обладают лучшей равномерностью формования, чем образцы с более низким значением данного критерия.
Список литературы
1. Смолин А.С. Макроструктура бумаги - измерение, формирование, влияние, целлюлоза // Бумага. Картон. i999. №7-S. С. 26-27.
2. Смолин А.С., Аксельрод Г.З. Технология формования бумаги и картона. М., i984. С. 4-i2.
3. Иванов С.Н. Технология бумаги. М., 2006. С. 36-39, С. 3S2-3S4.
4. Смолин А.С. Межволоконные связи и макроструктура бумаги и картона : дис. ... д-ра техн. наук. СПб, i999.
С. i0-26.
5. Beghello L. The Tendency of Fibers to Build Flocs: Laboratory of Paper Chemistry, Faculty of Chemical Engineer-
ing, Abo Academy University, i99S. 5S p.
6. Chang M.Y., Robertson A.A. Flocculation Studies of Fibre Suspensions: Influence of Zeta Potential // Pulp and Paper Magazine of Canada. i967. September. Pp. 438-444.
7. Kerekes R.J., Schell C.J. Effect of Fiber Length and Coarseness on Pulp Flocculation // Tappi Journal. i995. V. 78, N2. Pp. i33-i39.
8. Hubbe M.A. Flocculation and Redispersion of Cellulosic Fiber Suspensions: A Review of Effects of Hydrodynamic Shear and Polyelectrolytes // BioResources. 2007. V. 2, N2. Pp. 296-33i.
9. Yan H., Norman B. Fibre Length Effect on Fibre Suspension Flocculation and Sheet Formation // Nordic Pulp and Paper Research Journal. 2006. V. 2i, Ni. Pp. 30-34.
10. Mohlin U.B. Fiber Dimensions - Formation and Strength // Nordic Pulp and Paper Research Journal. 200i. V. i6, N3. Pp. 235-239.
11. Ramezani O., Nazhad M.M. The Effect of Coarseness on Paper Formation // African Pulp and Paper Week. 2004. Pp. i-5.
12. Members of The Institute of Paper Chemistry, A Critical Review of Current Theories For The Refining of Chemical Pulps, Report Three, The Institute of Paper Chemistry, Appleton, Wisconsin, i98i, Pp. 9. URL: https://smartech.gatech.edu/bitstream/ iS53/2607/i/tps-i46.pdf
13. Hietanen S., Ebeling K. Fundamental Aspects of The Refining Process // Paperi ja Puu - Paper and Timber. i990. V. 72, N2. Pp. i6i-i62.
14. Hans W. Geirtz, The Influence of Beating on Individual Fibres and The Causal Effects on Paper Properties, International Symposium on: Fundamental Concepts of Refining, Appleton, Wisconsin, i9S0. Pp. 87-92.
15. Helmer R.J.N., Covey G.H. Laboratory Simulation of The Effects of Refining on Paper Formation // Appita Journal. 2006. July. Pp. 29i-296.
16. Stoere P., Nazhad M., Kerekes R. An Experimental Study of The Effects of Refining on Paper Formation // Tappi Journal. 200i. V. 84, N7. Pp. 52-59.
17. Ramezani O., Nazhad M.M. The Effect of Refining on Paper Formation // African Pulp and Paper Week. 2004. Pp. i-5.
18. Hubbe M.A. Sensing The Electrokinetic Potential of Cellulosic Fiber Surfaces // BioResources. 2006. V. i, Ni. Pp. ii6-i49.
19. Gonzales-Fernandez C.F., Espinosa-Jimenez M., Gonzalez-Caballero F. The Effect of Packing Density of Cellulose Plugs on Streaming Potential Phenomena // Colloid and Polymer Science. i983. V. 26i. Pp. 688-693.
20. Bhardwaj N.K., Kumar S., Bajpai P.K. Effects of Processing on Zeta Potential and Cationic Demand of Kraft Pulps // Colloids and Surfaces A: Physiocochem. Eng. Aspects. 2004. V. 246. Pp. i2i-i25.
21. Wang F., Hubbe M.A. Charge Properties of Fibers in The Mill Environment. i. Effect of Electrical Conductivity // Journal Pulp and Paper Science. 2002. V. 29, Ni0. Pp. 347-353.
Поступило в редакцию 30 июля 2010 г.
После переработки 29 ноября 2010 г.
