CC BY
27STUD NET
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ НА БУМАГООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗ РАЗЛИЧНОЙ НАДМОЛЕКУЛЯРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ В ПРОЦЕССЕ ФОРМОВАНИЯ БУМАГИ
INFLUENCE OF HUMIDITY ON PAPER-FORMING PROPERTIES OF CELLULOSIS OF VARIOUS SUPERMOLECULAR ORGANIZATION IN THE
PROCESS OF FORMATION OF PAPER
УДК 676.16.017.6 DOI: 10.24411/2658-4964-202010054
Осовская И.И., К.х.н., доцент, Высшая школа технологии и энергетики Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна, Санкт-Петербург, Россия Антонова В.С., Старший преподаватель, Высшая школа технологии и энергетики Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна, Санкт-Петербург, Россия Добош А.Ю., магистр, Высшая школа технологии и энергетики Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна, Санкт-Петербург, Россия Dobosh A.Yu. alex dbsh@mail.ru
Аннотация: Задачей данного исследования является определение минимального количества воды, необходимого на различных стадиях формования бумаги указанным способом. Сохранение определенной влажности волокон на всех стадиях получения бумаги является неотъемлемой частью получения бумаги аэродинамическим способом формования. Установлена предельная влажность целлюлозы перед различными стадиями получения бумаги аэродинамическим способом формования в отсутствии фибриллирования при дефиците воды. Разработан комплекс физико-химических методов характеристики бумагообразующей способности волокон древесной целлюлозы.
Abstract: The maximum moisture content of cellulose was established before the various stages of obtaining paper by the aerodynamic method of molding in the absence of fibrillation with water shortage. A set of physicochemical methods for characterizing the paper-forming ability of wood pulp fibers has been developed.
Ключевые слова: древесная целлюлоза, теплоты смачивания, влажность, бумагообразующие свойства, подготовка волокна.
Key words: wood pulp, heat of wetting, humidity, paper-forming properties, fiber preparation.
Аэродинамический способ формования бумаги часто называют «сухим» способом формования. Однако термин «сухой» является неправильным в связи с невозможностью получить бумагу без определенного содержания воды.
Целью данного исследования является определение минимального количества воды, необходимой на различных стадиях формования бумаги указанным способом. Для решения этой задачи выполнено термохимическое исследование влияние влажности образца на энтальпии взаимодействия с водой хлопковой, сульфатной и сульфитной беленых целлюлоз. Характеристика исследуемых целлюлоз представлена в табл. 1.
Таблица 1. Характеристика исследуемых целлюлоз
№ п/п Целлюлоза Содержание, % Зольность %
а-целлюлозы пентозаны лигнина смол и жиров
1 Хлопковая 95,0 4,2 следы следы 0,1
2 Сульфатная беленая 91,5 6,0 2,0 0,5 0,4
3 Сульфитная беленая 88,2 8,5 2,8 0,5 0,5
Для характеристики гидрофильных свойств целлюлозы широко используется термохимический метод [11-13]. Методом калориметрии изучали взаимодействие целлюлозы с водой. Значительное поглощение воды целлюлозой влагосодержанием 0-5 % в зависимости от природы волокна объясняется быстрым связыванием воды реакционно-способными гидроксильными группами, не вовлеченными в прочную водородную связь. Первые молекулы воды образуют водородные связи с легко доступными ОН-группами, уменьшая их количество, находящееся в реакционно-активном состоянии. С увеличением влагосодержания до 12-20 % в зависимости от типа волокна понижается число активных групп, способных к взаимодействию с водой (рис. 1).
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0
Влагосодержание целлюлозы, %
Рис. 1. Зависимость интегральных энтальпий взаимодействия различного типа волокон от влажности. 1 - хлопковая; 2 - сульфитная
беленая; 3 - сульфатная беленая.
В результате на кривых выделения тепла наблюдается нелинейная зависимость AH=f(W). К моменту полного насыщения свободных функциональных групп молекулами воды тепловой эффект приближается к нулю. Дальнейшее поглощение воды целлюлозой протекает без выделения тепла, так как для самопроизвольного протекания процесса смачивания и набухания необходимо, чтобы при этом свободная энергия системы (AG) уменьшалась:
0>AG=AH-TAS,
где AS - изменение энтропии системы.
При AH = 0, AG = -TAS, тогда AS>0.
Следовательно, атермический характер сорбции, начиная с определенной влажности, можно объяснить возрастанием энтропии системы целлюлоза-вода. При влажности больше 20 % меняется механизм взаимодействия воды с целлюлозой, связывание молекул воды происходит не за счет сил межмолекулярного взаимодействия, а за счет сил капиллярной конденсации. Критическую концентрацию воды (Ск), соответствующую полному насыщению функциональных групп необходимо учитывать на всех стадиях формования бумаги «сухим» способом. В частности, при роспуске бумаги в аэродинамической трубе при влажности меньшей критической будет иметь место образование хрупких волокон ввиду включения свободных функциональных групп во внутриволоконную связь. При влажности много больше Ск на поверхности волокна образуется пленка воды, препятствующая разделению целлюлозы на отдельные волокна. Практика показала, что
оптимальная концентрация при роспуске волокна составляет 35-40 %. Чтобы определить влияние влажности при прессовании отливок необходимо получить отливки с одинаковой плотностью. Проведенные подготовительные работы позволили отработать методику получения таких отливок. В процессе прессования для более полного развития межволоконных связей также необходимо избыточное количество пластификатора (воды) по отношению к критической концентрации для придания большей гибкости полимерной цепи, способствующей увеличению площади контакта между поверхностными слоями волокон. Известно [14], что в области влажности 30 % в зависимости от природы волокна целлюлоза переходит из стеклообразного в высокоэластическое состояние при комнатной температуре (20 °С). В связи с этим критической концентрации должна соответствовать влажность отливки перед сушкой, т.к. при недостатке воды часть функциональных групп не будет участвовать в образовании межволоконных связей, а при влажности больше Ск лишняя вода будет препятствовать межволоконным контактам. Сушка отливок, полученных после прессования, проводилась на сушильной горке при 105°С.
Рис. 2. Влагосодержание целлюлозы, %
Разрывное усилие G (кгс) полученных отливок бумаги определялось на машине РМБ-30 (№202), скорость хода поршня машины составляла 75 мм/мин. Перед началом механических испытаний образцы выдерживались около 3 часов в помещении, в котором постоянно поддерживалась влажность воздуха 65 ± 2 % и температура 298 ± 5 К.
Расчет разрывной длины (рис.2) проводили по формуле:
БЬ = ^,
ш
где g - вес полоски бумаги длиной 0,1 метра.
Толщина отливки определялась микрометром Шоппера с точностью 0,005 мм. Плотность отливки рассчитывалась по формуле:
й
Проведенные исследования показали, что при получении бумаги аэроформованием обязательным условием является сохранение определенной влажности волокон на всех стадиях получения бумаги. Причем как при подготовке волокна, так и перед прессованием и сушкой эта влажность должна быть больше критической, соответствующей предельной гидратации для придания волокну ряда свойств, необходимых при диспергировании, прессовании и сушки распушенной целлюлозы.
Список литературы
1. Кларк Дж. Технология целлюлозы / пер. с англ. А.В. Оболенской, Г.А. Пазухиной. М.: Лесная промышленность, 1983. - 456 с.
2. Дулькин Д.А., Блинова П.А., Блинушова О.И. Изменение надмолекулярной структуры волокнистых полуфабрикатов из древесины в процессе размола // Химия растительного сырья. 2007. №1. С. 75-83.
3. Смолин А.С., Бисальски М. Влияние размола и фракционирования на электроповерхностные свойства целлюлозных гидросуспензий // Химия растительного сырья. 2011. №3. С. 183-192.
4. Осовская И.И., Полторацкий Г.М., Дмитриева Е.А. Гидрофильные свойства целлюлозы, обработанной насыщенным паром //Журнал прикладной химии. 2005. Т. 78. №7. С. 1203-1207.
5. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник для вузов. СПб., 2009. - 628 с.
6. Байкова В.С., Осовская И.И., Полторацкий Г.М. Влияние размола на термодинамические свойства целлюлозы // Химия растительного сырья, 2015. №1. С. 175-180.
7. Дробосюк В.М. Технология изготовления бумаги аэродинамическим способом. СПб.: СПбГТУРП. 2011. - 56 с.
8. Малиновская Г.К., Литвинова Л.В. Изготовление упаковочной бумаги методом аэродинамического формования // Тара и упаковка. №1. 2011. С. 35-39.
9. Мидуков Н.П., Ефремкина П.А., Малиновская Г.К., Куров В.С., Смолин А.С. Получение трехслойного вайт-лайнера из вторичных волокон
методом аэродинамического формования // Химические волокна. 2017. №1. С. 22-26.
10. Ларина В.Н., Урьяш В.Ф., Кокурина Н.Ю., Новоселова Н.В. Влияние степени упорядоченности на термохимические характеристики целлюлозы и растворимость воды в ней // Вестник Казанского гос. технол. ун-та / Казань: изд-во КГТУ, 2010. №1. С. 168-171.
11. Папков С.П., Файнберг Э.З. Взаимодействие целлюлозы и целлюлозных материалов с водой. М., Химия, 1976, 231 с.
12. Урьяш В.Ф., Груздева А.Е. Термодинамика биологически активных веществ. Saarbrücken (Germany): LAP Lambert Academic Publishing, 2017. - 684 с.
Bibliography
1. Clark, J. Cellulose technology / trans. from English A.V. Obolenskaya, G.A. Pazukhina. M.: Forest industry, 1983.- 456 p.
2. Dulkin D.A., Blinova P.A., Blinushova O.I. Change in the supramolecular structure of fibrous semi-finished products from wood during grinding // Chemistry of plant raw materials. 2007. No1. S. 75-83.
3. Smolin AS, Bisalski M. Effect of grinding and fractionation on the electrosurface properties of cellulosic hydrosuspensions // Chemistry of plant raw materials. 2011. No3. S. 183-192.
4. Osovskaya I.I., Poltoratsky G.M., Dmitrieva E.A. Hydrophilic properties of saturated steam treated cellulose // Journal of Applied Chemistry. 2005.V. 78. No. 7. S. 1203-1207.
5. Azarov V.I., Burov A.V., Obolenskaya A.V. Chemistry of wood and synthetic polymers: a textbook for high schools. SPb., 2009.- 628 s.
6. Baykova V.S., Osovskaya I.I., Poltoratsky G.M. The effect of grinding on the thermodynamic properties of cellulose // Chemistry of plant materials, 2015. No. 1. S. 175-180.
7. Drobosyuk V.M. The technology of manufacturing paper aerodynamically. SPb.: SPbGTURP. 2011.-- 56 p.
8. Malinovskaya G.K., Litvinova L.V. The manufacture of packaging paper by aerodynamic molding // Container and packaging. No. 1. 2011.S. 35-39.
9. Midukov N.P., Efremkina P.A., Malinovskaya G.K., Kurov V.S., Smolin A.S. Obtaining a three-layer white liner from secondary fibers by aerodynamic molding // Chemical fibers. 2017. No1. S. 22-26.
10. Larina V.N., Uryash V.F., Kokurina N.Yu., Novoselova N.V. The influence of the degree of ordering on the thermochemical characteristics of cellulose and
the solubility of water in it // Bulletin of the Kazan State. technol. University / Kazan: KSTU Publishing House, 2010. No. 1. S. 168-171.
11. S.P. Papkov, E.Z. Feinberg. Interaction of cellulose and cellulose materials with water. Moscow, Chemistry, 1976, 231 p.
12. Uryash V.F., Gruzdeva A.E. Thermodynamics of biologically active substances. Saarbrücken (Germany): LAP Lambert Academic Publishing, 2017.- 684 p.
