Диспергирование волокон в воде

Категория:
Полуфабрикаты из бумаги


Диспергирование волокон в воде

В бумажной массе вода содержится в различной форме. Волокна суспендированы в воде, но вода удерживается также между волокнами и в их каналах и порах посредством капиллярных сил. Кроме того, различное количество воды содержится в волокне в коллоидном состоянии, т. е. в виде адсорбированной воды. Влияние размола на отношение волокна в воде проявляется в увеличении количества имбибиционной воды; вследствие этого хорошо размолотые волокна формуются иначе, чем неразмолотые или частично размолотые.

Очистка массы

Для получения однородной суспензии волокон в воде масса должна быть подготовлена и очищена от содержания в ней каких-либо комочков. Роль очистки массы заключается в удалении больших пучков волокон с минимальной потерей хорошего волокна. Несепарированная масса может быть получена из недоваренной щепы, влагопрочной макулатуры, заплесневевшей массы, обгорелой макулатуры и других трудно сепарируемых материалов, а также из комков волокон, которые скапливаются на стенках бассейнов или внутри вентилей, насосов или шнеков. В очистителях от волокон отделяются все крупные частицы, но не грязь.

Обычно различаются грубые, средние и тонкие очистители. Грубые сортировки-очистители или сучколовители с отверстиями шлиц 3,4—6,4 мм применяются на целлюлозных заводах для отделения непроварившейся щепы и сучков. Грубые сортировки бывают как ротационные, так и с неподвижными ситами; в последнее время стали применять вибрационную сортировку Джонсона, обеспечивающую хорошее качество сортирования и высокую производительность. Для средних сортов бумаги в качестве первичных могут быть применены ротационные сортировки; эти сортировки имеют сита со шлицами размером 1,4—3,1 мм в зависимости от сорта целлюлозы. Плоские сортировки применяются в качестве первичных Для получения особо чистой целлюлозы, а также для сортирования массы, прошедшей через ротационные сортировки. Эти сортировки имеют сита со шлицами шириной от 0,15 до 0,66 мм, через которые должно проходить хорошее волокно. Конструкция сит и размеры шлиц изменяются в соответствии с типом сортируемой массы. Для сульфитной целлюлозы сита имеют 2,8—3,2 шлицы на 1 пог. см, ширина шлицы — 0,15—0,23 мм; для сульфатной целлюлозы число шлиц — 2—2,8 на 1 пог. см, шириною 0,25— 0,35 мм каждая. Массу для картона можно сортировать через сита с 1,6—2 шлицами на 1 погонный сантиметр, шириною каждая 0,51—0,66 мм. Даже при самых тонких шлицах у сит плоских сортировок возможно прохождение некоторых пучков волокон, поскольку ширина шлицы все же в несколько раз превосходит толщину отдельного волокна. Однако вероятность прохождения пучков волокон значительно меньше, чем при применении ротационных сортировок, где размер отверстия в 50—70 раз больше толщины отдельных волокон. Высокосортные целлюлозы, для которых чистота имеет особенно важное значение, пропускают через песочницу для удаления оседающих и тяжелых загрязнений, как на. пример кора, песок, накипь, небольшие сучки и частицы металла.

Флокуляция волокон

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на формование бумаги, является степень однородности суспензии волокон в воде. Если эта взвесь разделена на отдельные волокна, которые диспергированы равномерно во всем объеме жидкости, бумага получается равномерной структуры. С другой стороны, если волокна склонны к флокуляции и образованию сгустков, — бумага будет облачной. Выработка бумаги однородной структуры, в которой волокна расположены равномерно во всех направлениях, возможна при оптимальном распределении волокнистой взвеси в напорном ящике бумагоделательной машины. Чрезвычайно трудно отделить волокна друг от друга, но так же трудно поддерживать и однородность дисперсии, так как волокна склонны к флокуляции и образованию сгустков. Кэмпбелл установил, что разбавленная суспензия тонко размолотого хлопкового линтера легко и быстро (в несколько минут) образует сгустки даже в дистиллированной воде.

Для улучшения флокуляции, когда это желательно, например при улавливании волокна из сточных вод перед поступлением на ловушку, в воду добавляют большое количество сернокислого глинозема. Роль флокуляции положительна и для удержания волокнистой мелочи при отливе бумаги, благодаря осаждению мелочи на крупных волокнах. Это особенно важно при применении древесной массы с высоким содержанием мелочи.

Влияние состояния массы на флокуляцию

Флокуляция может быть объяснена на основе хорошо изученных коллоидно-химических явлений.

В бумажной массе волокна ¿едут себя в значительной степени так, как если бы они представляли собой коллоидную суспензию, в которой волокна удерживаются в устойчивом суспендированном состоянии под действием электрокинетического потенциала, называемого дзета-потенциалом, который возникает между волокнами и окружающей жидкостью, а также под действием слоя адсорбированных молекул воды. Следовательно, толстый слой молекул воды или высокий электрокинетический потенциал, разъединяя волокна, препятствуют их флокулированию. Поэтому хорошо размолотая масса флокулирует меньше слабо размолотой, так как размолотые волокна содержат больше имбибиционной воды. Однако в производственных условиях слабо размолотая масса обычно флокулирует меньше хорошо размолотой, для обезвоживания которой требуется больше времени. Кроме того, следует учитывать чисто механическое сцепление, вызывающее переплетение волокон; это сцепление усиливается по мере повышения размола. Многие химики считают, что флокуляция представляет собой главным образом механическое явление.

Разные волокна по-разному склонны к диспергированию. Ко-ротковолокнистая масса, например, диспергируется лучше длинноволокнистой. Следовательно, флокуляция представляет относительно меньшее препятствие при выработке бумаги из натронной целлюлозы, эспарто и древесной массы, чем в случае отлива бумаги из хлопка, льна, манильской пеньки, рами или хвойной целлюлозы. Для улучшения условий формования волокна длинноволокнистой массы часто укорачивают при размоле в ролле или жордане. Волокна с высоким содержанием гемицеллюлоз флокируют меньше волокон с малым содержанием гемицеллюлоз. Обычно бумага из беленой целлюлозы формуется лучше небеленой, что, вероятно, объясняется различной способностью этих двух сортов целлюлозы к флокулированию.

Кэмпбелл высказывает мнение, что образование сгустков волокон обусловлено турбулентностью потока массы при низкой скорости, наличием длинных волокон и высокой концентрацией массы. Уолведж установил, что флокуляция усиливается при канифольной проклейке, в присутствии желатинозных связующих веществ, при увеличении гидратации, в присутствии воздуха и при очень низком или очень высоком рН. Для увеличения дисперсности он установил необходимость таких условий, как низкая концентрация массы, наличие нежелатинозных наполнителей, перемешивание и отбелка волокон.

Влияние электрокинетического потенциала на флокуляцию

Уолведж установил, что хлопья гидроокиси алюминия, образующиеся вследствие прибавления сернокислого глинозема к волокнистой суспензии, сперва вызывают флокуляцию; после смешения сернокислый глинозем оказывает заметное диспергирующее действие. Это явление зависит от количества прибавленного сернокислого глинозема. Если количество прибавленного сернокислого глинозема точно соответствует необходимому количеству его для нейтрализации отрицательного заряда волокон, происходит флокулирование, так как волокна лишаются заряда, отталкивающего их друг от друга. Дальнейшее прибавление глинозема снова вызывает диспергирование волокон вследствие изменения знака их заряда (с отрицательного на положительный).

Эрспамер описал явления, происходящие при изменении электрокинетического потенциала волокон под влиянием пирофосфата. Первоначально прибавление последовательно возрастающего количества пирофосфата приводило к флокуляции волокнистой суспензии, содержащей окись алюминия, а затем — к диспергированию ее. Очевидно, пирофосфат, который дает отрицательно заряженный осадок, приводит положительно заряженную волокнистую суспензию в изоэлектрическое состояние, при котором происходит флокуляция, а затем, при дальнейшем прибавлении, приводит к повторному диспергированию волокна в виде устойчивой отрицательно заряженной суспензии. Ватсон и сотрудники установили, что натрийгексаметафосфат увеличивает прочность ручных отливок из крафт-целлюлозы (эвкалипта), что было объяснена улучшением формования вследствие увеличения отрицательного заряда волокон.

Поверхностно активные вещества флокулируюг волокнистую суспензию в соответствии с соотношением между электрическим зарядом этих веществ и зарядом волокна. Отрицательно заряженные поверхностно активные вещества флокулируют положительно заряженную суспензию, состоящую из волокон и сернокислого глинозема, тогда как положительно заряженные поверхностно-активные вещества повышают положительный заряд и таким образом улучшают дисперсность. Кэмпбелл установил, что небольшое количество одновалентных электролитов усиливает флокуляцию древесной массы, вызывая осаждение мелочи на крупные волокна.

Влияние камедей (гумми) и крахмала на флокуляцию

Некоторые гидрофильные коллоиды действуют на целлюлозные волокна как сильно диспергирующие вещества. На поверхности волокна эти вещества образуют гидратную пленку, которая действует как смазка; кроме того, они увеличивают вязкость суспендирующей среды . К таким веществам, которые уже нашли применение, особенно при выработке тонких бумаг, относятся: гумми рожкового дерева, деацетилированная карайская смола , метилцеллюлоза, натрийкарбоксиметилцеллюлоза и гуар. Ввиду сильного диспергирующего действия этих веществ на целлюлозные волокна они способствуют получению бумаги исключительно хорошей структуры из прочных, длинноволокнистых масс, которые в обычных условиях, вследствие их длинноволокнистости, дают бумагу с очень облачным просветом. Кроме того, эти вещества заметно замедляют обезвоживание массы на сетке; бумага при это№ имеет повышенную прочность по сравнению с бумагой из массы, механически размолотой до той же степени жирности. Наиболее-благоприятное влияние сильно диспергирующих веществ на процесс формования достигается в отсутствие сернокислого глинозема .

Для заметного улучшения структуры бумаги достаточно к обычным бумажным массам добавить около 0,1% (от веса волокна) гумми рожкового дерева. Следует отметить, что очень длинные-волокна, например, полученные из козо, требуют более высокого процента гумми. Повышенный размол массы увеличивает удержание гумми и эффективность его действия. В отдельных случаях для диспергирования добавляется крахмал. Так, например, для улучшения формования тонких бумаг добавляется значительное количество крахмала, достигающее 12—15% от веса волокна. В большинстве же случаев на целлюлозные волокна крахмал оказывает флокулирующее действие. Эрспамер установил, что крахмал флокулирует целлюлозные волокна даже в отсутствии сернокислого глинозема. Флокулирующее влияние крахмала можно ожидать в композициях, содержащих сернокислый глинозем, где отрицательный заряд крахмала нейтрализуется положительным зарядом волокна; в волокнистой суспензии без сернокислого глинозема, где крахмал и волокна обычно имеют отрицательный заряд, флокулирующее действие крахмала трудно объяснимо.

Зависимость флокуляции от концентрации массы

Однородность дисперсии волокон непосредственно зависит от концентрации массы. Повышение концентрации усиливает стремление массы к флокуляции и приводит к облачности бумаги. Существует критическая величина концентрации массы, выше которой в массе образуется много комков или сгустков, и дисперсия становится относительно неоднородной . Критическая концентрация, выше которой волокна не могут двигаться обособленно, зависит от типа и длины волокон. Критическая концентрация, вычисленная Месоном по соотношениям осей волокон, составляет от 0,014 до 0,125%.

Даути установил, что чем выше концентрация массы, тем плотнее полученная бумага, но Коттролл и Гартшор – нашли, что при увеличении концентрации массы уменьшается «сопротивление продавливанию.

Влияние тряски на флокуляцию

На длинносеточной бумагоделательной машине тряска частично устраняет флокулирование. Обычно на размолотые волокна тряска действует более эффективно, чем на неразмолотые, гак как на сетке размолотая масса остается во взвешенном состоянии дольше, чем неразмолотая, и, следовательно, механическое воздействие тряски больше способствует разбиванию хлопьев и механическому диспергированию волокон. Высказано интересное предположение о том, что если бы флокуляцию можно было устранить химической обработкой волокна, в тряске не было бы необходимости, и бумагу исключительно хорошей структуры можно было бы изготовлять при любой скорости бумагоделательной машины.

Флокуляция и удержание неволокнистых компонентов бумаги

При поступлении массной суспензии на сетку бумагоделательной машины мелочь в течение короткого промежутка времени практически беспрепятственно проходит сквозь сетку. Очень скоро, -однако, масса образует на сетке влажный слой, и последующее обезвоживание происходит уже через этот слой. Фильтрующая способность волокнистого слоя зависит от его толщины и жирности массы. Бумага из массы’высокого помола удерживает больший процент мелких частиц, чем бумага из слабо размолотой массы, так как в первом случае во влажном листе размеры пор меньше. Например, Фриз и Гаффней показали, что оборотная вода, получаемая при отливе пергамина из массы высокой степени помола, содержит гораздо меньше лучевых клеток, чем оборотная вода при отливе бумаг из садкой массы. Слишком сильный отсос на сосунах и отсасывающем гауче может привести к отсасыванию мелочи из влажного полотна, что вызывает двусторонность бумаги.

Удержание тонкого коллоидного или близкого к нему по размерам вещества представляет собой трудную задачу, так как размеры частиц этих веществ меньше размеров пор влажной бумаги. Однако эта задача имеет большое практическое значение, ибо многие из таких веществ (например, пигменты, красители) являются наиболее дорогой частью композиции бумаги. Удержание тонких волокнистых частиц важно потому, что они увеличивают плотность и прочность бумаги. Для того чтобы удержать эти частицы, следует увеличить размеры их путем флокуляции или кофлокуляции с более крупными волокнами. Таким образом, флокуляция, нежелательная для обеспечения хорошего формования, желательна для увеличения удержания.

Имеется несколько патентованных способов увеличения удержания неволокнистых компонентов в бумаге. Крахмал в сочетании с сернокислым глиноземом и щелоиью образует желатинозные хлопья, которые помогают удержанию крахмала или другого тонкого дисперсного материала в бумаге. В одном из патентованных способов для увеличения удержания мелких частиц в бумаге применяется животный клей (способ Свеена). При этом способе животный клей высокого качества растворяется в воде, к нему прибавляется канифольный клей, затем добавкой сернокислого глинозема устанавливается необходимый рН и раствор 1%-ной концентрации обычно вызревает при низкой температуре в течение 24 часов. За этот период животный клей становится «активным», т. е. частицы его увеличиваются и переходят из гидрофильного состояния в гидрофобное. Активированный клей, прибавленный к бумажной массе за несколько секунд до поступления на сетку, увеличивает удержание и улучшает распределение волокон, канифольного клея, пигментов и красителей. Этот способ, наиболее эффективный при наличии в массе наполнителей, при благоприятных условиях понижает содержание твердых веществ в оборотной воде на 50%. Применяя данный способ, в массный поток необходимо заранее добавить сернокислый глинозем, так как хорошие результаты, по-видимому, определяются адсорбцией отрицательно заряженных частиц клея на положительно заряженных хлопьях окиси алюминия, понижающей отрицательный заряд волокна до изоэлек-трической точки. Обычно расход клея составляет менее 0,1% от веса массы. Активированный клей также применяется в специальной ловушке флотационного типа, описанной далее. Прибавление перед напорным ящиком 10—20 частей активированного кремнезема на миллион частей массы приводит к увеличению удержания и улучшению формования. При этом в массе должен содержаться ион алюминия; обычно при рН = 5 количество этих ионов оказывается достаточным.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум