CC BY
49
ДЕРЕВООБРАБОТКА
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МБС НА СВОЙСТВА ПОЛУЧАЕМОГО ВОЛОКНИСТОГО ПОЛУФАБРИКАТА
Г.Н. КОНОНОВ, проф. каф. ХТДПМГУЛ, канд. техн. наук,
В.С. ДРОЗДОВА, асп. каф. ХТДП МГУЛ,
А.А. ФАНЬКОВСКАЯ, асп. каф. ХТДП МГУЛ
Проблема переработки макулатуры бумажной специальной (МБС) весьма актуальна, так как ежегодно из обращения изымаются тысячи тонн не пригодных для использования банкнот, уцененных бумаг и документов[1]. Интерес бумажников к макулатуре МБС определяется тем, что при изготовлении бумаги для денежных знаков применяется только высококачественное волокнистое сырье, состоящее, в основном, из хлопковой и сульфатной хвойной целлюлозы. Поэтому идея возвращения в переработку для производства бумаги и картона прочного волокна остается весьма заманчивой [2].
Перед размолом макулатурную массу из денежных знаков подвергали предварительной термогидролитической обработке. Продолжительность предварительной водной обработки (пропитки) составляла 2 часа; температура обработки - 100 °С. Обработку проводили в автоклаве при атмосферном давлении. Другую партию макулатуры обрабатывали при повышенном давлении насыщен-
fankovskaya-asya@mail.ru
ным паром в специальном пароперегревателе при соответствующей температуре. Водную пропитку макулатуры проводили при гидромодуле 1:4,5 продолжительностью от 0,5 до 24 часов и температуре обработки от 25 до 100 °С. После предварительной термогидролитической обработки макулатуру распускали в лабораторном гидроразбивателе и затем размалывали в ролле или на дисковой мельнице SW - 12. Размол массы на ролле проводили при концентрации массы 2,5 %. Размол на дисковой мельнице осуществляли при концентрации массы 12-15 %.
Результаты испытаний полученных волокнистых полуфабрикатов приведены в табл. 1 и 2.
Из размолотой макулатуры изготавливали отливки массой 75 г/м2, которые после кондиционирования подвергали физико-механическим испытаниям по ГОСТу, контролируя степень помола, содержание костры по методу Соммервиля, прочность отливки во влажном состоянии по методу Брехта и фрак-
Т а б л и ц а 1
Влияние применения различных видов размалывающего оборудования на свойства волокнистого полуфабриката денежных знаков
Условия обработки Свойства волокнистого полуфабриката
Пропитка Пропарка* Вид размалывающего оборудования Степень помола, 0ШР Содержание костры, % Прочность во влажном состоянии, г Длина волокна, мм Разрывная длина, м Сопротивление
t, °C т, час средняя арифметическая средняя весовая излому, ч.д.п. раздиранию, мН
25 0,5 гр
25 0,5 Гр + Ролл 50 3,2 68 0,58 1,05 3200 12 416
25 24 Гр + Ролл 42 7,4 64 0,51 0,94 3200 10 420
25 24 Гр + Ролл 51 4,0 60 0,47 0,90 3300 9 400
25 0,5 Гр + ДМ 62 15,2 51 0,38 0,70 2800 14 496
25 24 Гр + ДМ 58 12,0 55 0,45 0,82 3000 10 450
125* 0,5 Гр + ДМ 56 7,6 53 0,44 0,79 2500 12 496
140* 3,5 гр 47 8,4 34 0,48 0,91 1520 2 352
140* 3,5 Гр + Ролл 60 0,7 58 0,46 0,87 2570 7 432
Гр - гидроразбиватель; ДМ - дисковая мельница
136
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Таблица 2
Влияние параметров размола макулатуры из денежных знаков в дисковой мельнице на свойства получаемого волокнистого полуфабриката
Вариант Условия размола Свойства волокнистого полуфабриката
Концентрация, % Кол-во проходов через мельницу Зазоры, мм cd Ц О S о ~ е ft а Э д © D д D н и vP О4 А Н О О д д к Он н о й Прочность во влажном состоянии, г Длина волокна, мм Разрушающее усилие, Н Разрывная длина, м Сопротивление
средняя арифмети- ческая средняя весовая
излому, ч.д.п. сЗ Я IS а и
Исходная масса после гидроразбивателя - - - 9 44,8 - - - - - - -
После размола, 1 вариант 10 1 0,625 30 39,7 9 0,39 0,69 10,9 965 3 136
После размола, 2 вариант 10 2 0,625 0,5 42 14,6 20 0,37 0,66 17,1 1360 8 160
После размола, 3 вариант 10 3 0,625 0,5 0,45 54 5,1 28 0,37 0,63 22,7 2010 20 176
После размола, 4 вариант 10 4 0,625 0,5 0,45 0,4 60 2,1 46 0,33 0,58 26,8 2270 28 192
ционному составу - длине волокна по методу «Kajaani» FS - 100.
Из данных табл. 1 и 2 следует, что при применении различных видов размалывающего оборудования в различных сочетаниях (и последовательности размола) максимально достигнутый уровень прочности массы по разрывной длине не превышает 3300 метров. При этом размол в ролле является более эффективным.
Установлено, что размол макулатуры на дисковой мельнице позволяет получить массу с более высоким показателем сопротивления раздиранию.
Уровень потребления энергии на размол на обоих аппаратах примерно одинаков и составляет около 100 кВт-ч на тонну массы при помоле ее 50-55°ШР.
Анализ данных, представленных в табл. 2, показывает, что с увеличением степени помола от 30 до 60 °ШР происходит снижение содержание костры в полученной волокнистой массе почти в 20 раз. При этом прочность во влажном состоянии возрастает на 80 %, разрушающее усилие более чем на 60 %, разрывная длина на 57 %, сопротивле-
ние излому на 89 %, сопротивление раздиранию почти на 30 %.
Увеличение физико-механических показателей происходит за счет фибрилляции волокон при размоле, при этом содержание мелкой фракции увеличивается незначительно примерно на 10 %, содержание средней фракции волокон остается практически на одном уровне, а длинноволокнистая фракция снижается на 20 %. Результаты проведенного анализа представлены на графиках (рис. 1. и 2.)
Таким образом, интенсификация размола макулатуры из денежных знаков положительно влияет на бумагообразующие свойства получаемого волокнистого полуфабриката. Физико-механические свойства возрастают на 30-89 %, при этом содержание грубоволокнистой фракции - костры снижается почти в 20 раз.
Довольно низкий уровень прочности массы из денежной макулатуры, достигающий только уровня хорошей дефибрерной массы, объясняется высоким уровнем проклейки денежных билетов влагопрочными составами. Волокна, по-видимому, остаются
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 3/2011
137
ДЕРЕВООБРАБОТКА
х прочность во влажном состоянии ♦ сопротивление излому —сопротивление раздиранию —А— разрывная длина
Рис. 1. Зависимости физико-механических показателей от степени помола
костричность
длинное волокно —■— мелкое волокно
Рис. 2. Зависимость костричности и фракционного состава волокна от степени помола
«заклеенными» и не раскрывают фибриллярную структуру. Ограничивающим фактором является также высокая степень помола волокон макулатуры. Так, макулатура, распущенная до волокон только в гидроразбивателе, с предварительной пропаркой при температуре 140 °С в течение 3,5 часов, уже имеет степень помола 47еШР (опыт 8 табл. 2.). Практически это оптимальная степень помола массы для производства картона.
Увеличение продолжительности пропитки макулатуры с 30 минут до 24 часов способствует получению более прочной массы за счет набухания волокон и частичного гидролитического разрушения проклеивающих агентов. Однако повышение это не столь существенно и не оправдает затрат на дополнительное оборудование для хранения и сгущения больших объемов массы.
Применение пропарки макулатуры перед размолом (опыт 7 табл. 2.) не приводит к возрастанию показателей механической прочности.
Наоборот, произошло снижение разрывной длины с 2800 м до 2500 м и степени помола с 62 до 56°ШР (оп. 5 и 7 табл. 2.).
Здесь, по-видимому, наблюдается известный в практике как производства макулатуры, так и производства древесной массы, процесс фазового превращения компонентов
волокна под действием температуры из кристаллического в высокоэластическое состояние, когда на размол более гибких и тягучих («резиноподобных») волокон требуется расходовать больше энергии.
Таким образом установлено, что при переработке денежной макулатуры после роспуска ее в гидроразбивателе необходимо провести дальнейший ножевой размол либо при низкой концентрации (2-4 %), либо средней (10-15 %). Для этой цели могут быть использованы дисковые мельницы или роллы.
Другой этап работы составил исследования влияния использования химических реагентов на стадии предварительной обработки макулатуры из денежных знаков перед ее роспуском и дальнейшим размолом в дисковой мельнице или ролле. Химическую обработку макулатуры проводили по режиму короткой натронной варки с использованием раствора гидроксида натрия.
Влияние химической обработки макулатуры оценивали при следующих расходах щелочи: 20 кг/т; 40 кг/т; 60 кг/т; 80 кг/т; 100 кг/т.
Химическую обработку проводили в четырехстаканном вращающемся автоклаве. В каждый стакан загружали по 150 грамм абсолютно сухой макулатуры (без предварительного замачивания) и заливали заданным количес-
138
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
ДЕРЕВООБРАБОТКА
Таблица 3
Влияние химической обработки макулатуры из денежных знаков на физико-механические свойства получаемой волокнистой массы
Вид волокнистой массы Расход NaOH на варку, кг/т Физико-механические свойства волокнистой массы
Степень помола, 0ШР Кострич-ность, % Разрывная длина, м Сопротивление излому, ч.д.п. Сопротивление раздиранию, мН Белизна, %
Несортированная 20 36 19,1 1840 1 400 54,0
Несортированная 40 37 17,4 1860 1 400 53,8
Несортированная 60 39 14,6 1880 1 424 53,7
Несортированная 80 42 12,7 1910 3 436 53,1
Несортированная 100 44 8,2 1960 6 448 52,8
Сортированная 100 47 - 2390 6 576 54,7
Размол в ролле 5 мин 20 56 2,0 3480 15 496 52,0
Размол в ролле 25 мин 20 81 1,5 4130 13 340 44,5
твом раствора гидроксида натрия. Г идромодуль варки при этом составлял 1:5. Подъем температуры от 20° до 150°С осуществляли в течение 90 минут. Продолжительность выдержки при температуре 150°С составила 30 минут. После окончания варки стаканы резко охлаждались холодной водой, масса выгружалась из стаканов, промывалась водой и подвергалась роспуску в лабораторном гидроразбивателе, после чего определялся показатель степени роспуска макулатуры. Он составил 83 %, при этом средняя длина волокна была 0,74 мм, содержание мелкого волокна 31,43 %, среднего - 34,92 %, длинного - 27,49 % и содержание пучков волокон - 6,22 %. Из волокнистой массы изготавливали отливки массой 75 г/м2, которые после кондиционирования подвергали физико-механическим испытаниям по ГОСТу. Дополнительно массу контролировали по степени помола, содержанию костры по методу Соммервиля и по белизне.
Результаты проведенных исследований представлены в табл. 3.
Кроме того, волокнистую массу, полученную при варке макулатуры с расходом 100 кг/т, подвергли сортированию на лабораторной вибрационной сортировке Соммерви-ля с целью оценки свойств отсортированной волокнистой массы.
Часть волокнистой массы, полученной в результате варки макулатуры с расходом щелочи 20 кг/т, подвергли дополнительному размолу в ролле в течение 5 и 20 минут для определения зависимости свойств массы от степени помола.
Из данных табл. 3, следует, что при увеличении расхода гидроксида натрия на варку макулатуры из денежных знаков механические свойства несортированной массы возрастают незначительно (примерно на 6 % по разрывной длине и на 10 % по показателю сопротивления раздиранию). Интересно отметить, что при увеличении расхода гидрооксида натрия на варку с 20 кг/т до 100 кг/т белизна несортированной массы снизилась всего на 1,2 % (с 54 до 52,8 %).
Сортирование волокнистой массы привело к повышению белизны до 54,7 % и увеличению разрывной длины на 430 м, а сопротивление раздиранию - более чем на 25 %.
Увеличение степени помола с 36°ШР до 56°ШР приводит к повышению разрывной длины волокнистой массы почти в 2 раза. Сопротивление раздиранию при этом практически не изменяется, а показатель белизны снижается менее чем на 1 %. Дальнейший размол денежной макулатурной массы до 80°ШР приводит к увеличению ее разрывной длины еще на 20 %, но при этом сопротивление раздиранию снижается на 30 %, а показатель белизны резко уменьшается, почти на 8 единиц белого, и достигает 44 %.
Таким образом, в результате проведенных исследований выявлено, что использование предварительной химической обработки МБС раствором гидроксида натрия при температуре 150°С в течение 30-60 минут дает возможность получить волокнистую массу, способность которой к роспуску в гидрораз-бивателе достигает 87 %, а дальнейший ее
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2011
139
