CC BY
68
УДК 676.038.2
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ПОМОЛА ФРАКЦИЙ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА КАРТОНА
© Д.А. Дулькин , Л.А. Блинова, О.И. Блинушова
ООО «Управляющая Компания «"Объединенные бумажные фабрики"», ул. Трудовая, 2, Полотняный Завод, Калужская обл., 249844 (Россия)
E-mail: dulkin@pzbf.ru
Цель данной работы - определить потенциал прироста бумагообразующих свойств вторичного волокна из макулатуры методом фракционирования.
Выявленные закономерности однозначно указывают на различный характер поведения длинно- и коротковолокнистой массы в главных процессах технологии. Именно в различии механизмов приобретения определенных физикохимических и механических параметров и в специфическом их дальнейшем проявлении авторы видят фундаментальные отличия длинно- и коротковолокнистых фракций массы в общей водноволокнистой суспензии вторичного волокна.
Определен потенциал прироста бумагообразующих свойств вторичного волокна из макулатуры методом фракционирования на две фракции. Конкретным практическим итогом работы можно считать установленные границ степени помола фракций массы и соотношения долей в смесях, реально обеспечивающих максимально возможный эффект улучшения качества бумаги и картона из вторичного волокна.
Введение
Главным проблемным аспектом переработки макулатуры постоянно было и остается качество получаемого вторичного волокна. Известно [1, 2], что чем качественнее волокно, тем стабильнее и эффективнее работа предприятия по всему комплексу показателей. Вместе с тем является фактом многовариантность качества макулатурного сырья и, соответственно, бумагообразующих свойств вторичного волокна даже в пределах отдельных марок макулатуры. Такой характер сырья обусловливает множественность технических возможностей и технологических приемов для обеспечения конкретных значений качественных показателей вторичного волокна при производстве бумажно-картонной продукции. Из ряда основных способов, таких как, например, термодисперсионная обработка макулатурной массы, применение химических средств, использование щадящих режимов гидромеханической обработки и фракционирование волокнистой массы, большое внимание уделяется последнему способу [1-4].
Фракционирование волокнистой массы позволяет разделить ее на длинноволокнистую и коротковолокнистую фракции, причем, изменяя пропорции фракций и применяя несколько ступеней, можно получить ряд фракций, отличающихся средней длиной волокна. Включение этого технологического приема в производственный процесс открывает возможность раздельно обрабатывать фракции и оперировать ими в технологии изготовления бумаги и картона. Как показано в исследованиях [4], фракционирование позволяет существенно повысить качество продукции, снизить потери мелкого волокна, сэкономить энергию и увеличить производительность технологического потока.
Экспериментальная часть
Цель данной работы - определить потенциал прироста бумагообразующих свойств вторичного волокна из макулатуры методом фракционирования. Представленный в данной статье фактический материал отражает исследования в области фракционирования волокнистой массы из макулатуры и свойств волокнистых фракций. Исследования проводились в лабораторных и промышленных условиях двух предприятий ОАО
* Автор, с которым следует вести перписку.
«Полотняно-Заводская бумажная фабрика» (ПЗБФ) и ООО «Сухонский целлюлозно-бумажный комбинат», входящих в ООО «Управляющая Компания «"Объединенные бумажные фабрики“». В качестве фракциона-торов использовались напорные сортировки СНС-05-50, модернизированные под выполнение функций фракционатора. Массовая доля волокна, проходящая через сито с определенным диаметром отверстий, отнесена к коротковолокнистой фракции, а доля остатка - это длинноволокнистая фракция.
В ОАО «ПЗБФ» фракционированию подвергалась наиболее сложная для переработки, с точки зрения качества получаемого волокна и его выхода, бытовая макулатура. Диаметр отверстий сит сортировки 1,8 мм.
Характеристика исходной и разделенной на фракции волокнистой массы представлена в таблице 1.
Волокнистая масса разделялась на две фракции, примерно в следующеи соотношении: 30% - коротковолокнистой и 70% - длинноволокнистой. Полученные фракции подвергались дальнейшим исследованиям с целью выявления способности волокон подвергаться размалывающему эффекту при механогидродинамиче-ском воздействии в гидроразбивателе и дисковой мельнице. Для этого использовалась лабораторная установка. Для сравнения той же обработке подвергалась исходная масса. Кроме того, исследовано влияние длительной выдержки в воде на степень помола и длину волокна. На те же характеристики массы изучалось влияние механогидродинамической обработки. Данные представлены в таблице 2.
Таблица 1. Характеристика исходной и разделенной на фракции волокнистой массы
Волокнистая масса из макулатуры Концентрация массы, % Степень помола, °ШР Длина волокна, дг (мм) Доля фракций, % (по массе)
Масса перед сортировкой 3,1 31 118 (2,25) 100
Коротковолокнистая фракция (масса, прошедшая через сито) 1,5 31 89 (1,90) 33,1
Длинноволокнистая фракция (масса, не прошедшая через сито) 2,4 21 185 (2,75) 66,9
Таблица 2. Влияние механогидродинамической обработки массы на степень помола и длину волокна
№ п/п Фракция массы Условия обработки Концентрация массы, % Степень помола, °ШР Длина волокна, дг (мм)
1 Масса не фракционированная Без обработки 2,1 31 118(2,25)
2 Масса не фракционированная Масса выдерживалась в течение 5 суток при температуре 8 °С 2,1 32 140 (2,40)
3 Масса не фракционированная С обработкой в гидроразбивате-ле в течение 30 с 2,1 33 135 (2,39)
4 Масса не фракционированная С обработкой в мельнице в течение 75 с 2,1 37 115 (2,28)
5 Масса не фракционированная С обработкой в мельнице в течение 195 с 2,1 43 110 (2,22)
6 Коротковолокнистая Без обработки 1,5 31 89(1,90)
7 Коротковолокнистая С обработкой в гидроразбивате-ле в течение 30 с 1,5 36 88 (1,90)
8 Коротковолокнистая С обработкой в мельнице в течение 15 с 1,5 40 86 (1,82)
9 Коротковолокнистая С обработкой в мельнице в течение 75 с 1,5 48 78 (1,70)
10 Длинноволокнистая Без обработки 2,4 21 185 (2,75)
11 Длинноволокнистая С обработкой в гидроразбивате-ле в течение 30 с 2,4 22 150 (2,40)
12 Длинноволокнистая С обработкой в мельнице в течение 15 с 2,4 23 140 (2,38)
13 Длинноволокнистая С обработкой в мельнице в течение 75 с 2,4 25 125 (2,32)
14 Длинноволокнистая С обработкой в мельнице в течение 180 с 2,4 33 121 (2,30)
15 Длинноволокнистая С обработкой в мельнице в течение 240 с 2,4 35 119 (2,30)
16 Длинноволокнистая С обработкой в мельнице в течение 300 с 2,4 41 115 (2,28)
Анализ данных таблицы 2 показывает, что коротковолокнистая фракция подвержена сильному влиянию ме-ханогидродинамической обработки. Даже кратковременная обработка в гидроразбивателе (30 с) увеличивает степень помола массы на 5 °ШР. Размол в мельнице в течение 15 с прибавляет 9 °ШР, а размол в течение 75 с, увеличивает степень помола на 17 °ШР. При этом длина волокна остается практически неизменной (опыты 6-9). Такой характер изменения свойств волокна можно объяснить увеличением гидратации массы, интенсифицируемой механогидродинамическом воздействием с более выраженным проявлением гидратации в процессе размола.
Степень помола длинноволокнистой фракции при обработке в гидроразбивателе в течение 30 с и 15 с в мельнице почти не изменяется (1-2 °ШР). Заметное увеличение степени помола начинается после обработки в дисковой мельнице в течение 75 с (4 °ШР). Более продолжительный размол - 180, 240 и 300 с, увеличивает помол, соответственно, до значений 33, 35 и 41 °ШР. При этом, в отличие от характера размола коротковолокнистой фракции, размол длинноволокнистой массы сопровождается укорочением волокна. Так, исходная масса имела длину 185 дг (2,75 мм), а после размола в течение 180 с - 121 дг (2,30 мм).
Примерно аналогично длинноволокнистой фракции размалывается нефракционированная масса. Только размол в дисковой мельнице в течение 195 с позволил достичь степени помола 43 °ШР по сравнению с исходным значением 33 °ШР.
Длительное выдерживание нефракционированной массы в воде не оказало влияния на степень помола, но несколько увеличился показатель длины волокна 140 дг (2,38 мм) против 118 дг (2,25 мм). Объяснение этому факту кроется в гидратации и набухании волокна. Оба процесса сопровождаются увеличением объема волокна, способствуют приросту эластичности, и при анализе массы большая доля ее задерживается на рамке прибора. Таким образом, можно говорить о кажущемся приросте длины волокна. Однако выявленный факт представляется важным для технологического процесса. Сильно гидратированные и набухшие волокна способны полнее задерживаться на формующей сетке, формировать более плотную и объемную структуру мокрого листа, водоотдача которого замедленна и сопровождается повышенной усадкой на всех стадиях обезвоживания на бумагоделательной машине. Положительные и отрицательные аспекты гидратации и набухания волокна следует учитывать в технологическом процессе.
Исследования, проведанные в ООО «Сухонский целлюлозно-бумажный комбинат», были направлены на установление физико-механических свойств фракций волокнистой массы и влияния на них степени помола массы. Ценным представляется то, что исследования проведены на промышленном оборудовании с фракционированием вторичного волокна в действующем технологическом потоке.
В отличие от предыдущих экспериментов, при фракционировании использовалось сито с диаметром 1,6 мм. Соотношение фракций: 20% коротковолокнистая и 80% длинноволокнистая. Фракции представляют собой средние арифметические значения ряда наблюдений разных дней в течение полутора месяцев с интервалом в одну неделю. Данные экспериментов представлены в таблицах 3 и 4.
Анализ данных таблиц 3 и 4 позволяет выявить закономерности, не противоречащие общеизвестному влиянию степени помола на основные физико-механические показатели волокнистой массы. Это справедливо для длинно- и коротковолокнистых фракций вторичного волокна. Однако следует отметить и существенные отличия в уровнях показателей для длинно- и коротковолокнистых фракций. При одинаковых степенях помола значительно большие абсолютные значения физико-механических показателей длинноволокнистых фракций по сравнению с коротковолокнистыми фракциями. А в пределах одинаковых фракций массы обращает на себя внимание существенное влияние степени помола на сопротивление излому и продавливанию при почти полном отсутствии влияния на разрушающее усилие при сжатии кольца и сопротивлении разрыву. Хотя для длинноволокнистой массы еще можно увидеть тенденцию к увеличению последних упомянутых показателей, то для коротковолокнистых фракций массы нет аналогичной тенденции.
Представлялось целесообразным провести исследования о влиянии содержания коротковолокнистой фракции массы в бумажной массе на физико-механические показатели. Экспериментальные данные представлены в таблице 5.
Таблица 3. Физико-механические показатели длинноволокнистой фракции
Степень помола, °ШР Сопротивление излому, ч.д.п. Разрушающее усилие при сжатии кольца, Н. Сопротивление про-давливанию, кПа Удельное сопротивление разрыву, кН/м
28 24 40 186 3,1
33 68 48 191 3,3
38 72 47 250 5,0
42 80 42 272 5,4
45 105 48 331 3,5
Таблица 4. Физико-механические показатели коротковолокнистой фракции
Степень помола, °ШР Сопротивление излому, ч.д.п. Разрушающее усилие при сжатии кольца, Н Сопротивление про-давливанию, кПа Удельное сопротивление разрыву, кН/м
32 21 53 174 3,3
32 16 50 182 2,9
33 25 36 188 2,7
32 41 35 160 2,5
Среднее значение 26 44 176 3.0
42 40 44 206 4,4
42 27 58 226 3,4
42 67 46 230 2,7
41 44 43 238 3,3
Среднее значение 45 48 225 3,5
45 40 43 211 4,4
48 63 48 230 3,2
46 70 38 238 3,2
Среднее значение 58 43 226 3,6
Таблица 5. Физико-механические показатели смесей коротко- и длинноволокнистой фракций при одинаковой степени помола волокна - 44 °ШР
Состав смеси фракций, % Сопротивление излому, ч.д.п. Разрушающее усилие при сжатии кольца, Н Сопротивление про-давливанию, кПа Удельное сопротивление разрыву, кН/м
100 (длинноволокнистая) 105 48 331 3,5
10/90 172 49 299 3,6
20/80 190 42 260 3,8
40/60 173 37 255 3,5
50/50 182 36 257 3,5
100 (коротковолокнистая) 58 43 226 3,6
Ожидалось, что влияние коротковолокнистой массы во все увеличивающейся доле окажет хорошо известное действие - снижение физико-механических показателей. Между тем на разрушающем усилии при сжатии кольца и сопротивлении разрыву увеличение содержания коротковолокнистой массы почти не сказывается. Сопротивление продавливанию уменьшается, а сопротивление излому существенно возрастает и остается примерно на том же уровне вплоть до содержания коротковолокнистой фракции в смеси 50%.
Выводы
1. Подтверждены известные ранее и получены новые данные о свойствах и роли фракций короткого волокна из макулатуры. Детальный анализ данных позволил выявить следующие обобщенные закономерности и тенденции:
- при размоле нефракционированная масса и длинноволокнистая масса из макулатуры проявляют отличительное восприятие механогидродинамического воздействия; медленно наращивают степень помола (примерно 5 °ШР за 75 с размола, прибавляют примерно 6-8 °ШР за последующие 105-120 с); нефракцио-нированная масса почти не изменяет первоначальной длины, а длинноволокнистая масса подвергается существенному укорочению волокна в первые 75 с размола (с 2,75 до 2,31 мм) и далее укорочение заметно мало (через 180 с размола - 2,3 мм, а через 300 с - 2,2 мм);
- физико-механические показатели длинноволокнистой массы увеличиваются по мере роста степени помола, кроме разрушающего усилия при сжатии кольца; максимум положительного влияния наблюдается в интервале степени помола 40-45 °ШР;
- при размоле коротковолокнистой фракции степень помола увеличивается быстро: через 15 с размола с 31 °ШР вырастает до 40, а через 75 с достигает 48 0ШР; уменьшение длины не существенно - с 1,90 до 1,70 мм через 75 с размола;
- физико-механические показатели коротковолокнистой фракции при повышении степени помола существенно увеличиваются для показателей сопротивления излому и сопротивления продавливанию, малозаметен прирост двух других исследованных показателей; абсолютная величина показателей, по сравнению с
длинноволокнистой массой, значительно ниже; однако положительное наибольшее приращение показателей, воспринимающих механогидродинамическое воздействие, находится в зоне высокой степени помола 40-45 °ШР;
- физико-механические показатели смесей коротко- и длинноволокнистой фракций в порядке увеличения доли коротковолокнистой массы имеют четко выраженную закономерность: разрушающее усилие при сжатии кольца и удельное сопротивление разрыву практически не изменяется; сопротивление продавлива-нию снижается; сопротивление излому резко возрастает уже при содержании 10% коротковолокнистой фракции и стабильно удерживается на достигнутом уровне до соотношения фракций 50 к 50%.
2. Выявленные закономерности однозначно указывают на различный характер поведения длинно- и коротковолокнистой массы в главных процессах технологии, но принципиально важно, что исследованные свойства волокнистые массы приобретают по различным механизмам. Именно в различии механизмов приобретения определенных физико-химических и механических параметров и в их дальнейшем специфическом проявлении авторы видят фундаментальные отличия длинно- и коротковолокнистых фракций массы в общей водноволокнистой суспензии вторичного волокна.
3. С достаточно высокой достоверностью можно говорить о том, что длинноволокнистой массе свойства придаются преимущественно укорочением волокна, фибриллированием и гидратацией, в то время как коротковолокнистая масса приобретает свои свойства преимущественно гидратацией и набуханием.
4. Подтверждена целесообразность фракционирования вторичного волокна из макулатуры для раздельной обработки и целенаправленного использования длинно- и коротковолокнистой фракции в технологии. Очевидно, что лучшие результаты и экономичнее технология будут при организации многоступенчатого фракционирования, с выделением, как минимум, трех фракций: коротко-, средне- и длинноволокнистой массы.
5. Выполненная научная работа достигла своей цели: определен потенциал прироста бумагообразующих свойств вторичного волокна из макулатуры методом фракционирования на две фракции. Данные исследований можно рекомендовать для расширенного освоения предприятиями по переработке макулатуры. Конкретным практическим итогом работы можно считать установленные границ степени помола фракций массы и соотношения долей в смесях, реально обеспечивающих максимально возможный эффект улучшения качества бумаги и картона из вторичного волокна.
Список литературы
1. Дулькин Д.А., Ковернинский И.Н., Комаров В.И., Спиридонов В.А. Мировые тенденции в развитии техники и технологии переработки макулатуры. Архангельск, 2002. 109 с.
2. Яблочкин Н.И., Комаров В.И., Ковернинский И.Н. Макулатура в технологии картона. Архангельск, 2004. 252 с.
3. Papermaking Science and Technology. Book 7. Recycled Fiber and Deinking. Book editor: Gottsching L., Ракаппеп H. - Jyvaskyla, Finland, 2000. 649 p.
4. Яблочкин Н.И. Повышение качества тест-лайнера : дис. ... канд. техн. наук. Архангельск, 2005. 176 с.
Поступило в редакцию 13 января 2007 г.
