Факторы, влияющие на размол

Категория:
Полуфабрикаты из бумаги


Факторы, влияющие на размол

На скорость и характер размола влияют многие факторы. Наиболее важными из них являются тип размольной или рафинирующей машины и способы их работы. Например, при медленном Размоле в ролле целлюлоза обычно приобретает более высокую прочность, чем при быстром размоле. К другим факторам, влияющим на размол, относятся: тип ножей барабана и планки, концентрация массы, величина давления барабана и т. д. Эти факторы уже были рассмотрены. В следующих разделах освещены некоторые наиболее важные свойства целлюлозы и массы и их влияние на процесс размола.

Размол различных целлюлоз

Различные технические целлюлозы значительно отличаются друг от друга по своим размольным свойствам. Бумажники это учитывают и при смешивании различных целлюлоз иногда предварительно несколько подмалывают более трудно размалываемую целлюлозу, а затем загружают в ролл другую целлюлозу. Например, при смешанной” композиции, состоящей из тряпичной полумассы и сульфитной целлюлозы, в ролл сначала загружают полумассу и обычно размалывают ее в течение нескольких часов, после чего прибавляют целлюлозу. При четырехчасовом обороте ролла сульфитную целлюлозу обычно прибавляют через 2 часа после загрузки тряпичной полумассы; при восьмичасовом обороте, который может оказаться необходимым при выработке документной бумаги, сульфитная целлюлоза прибавляется примерно через 5—6 часов после загрузки тряпичной полумассы. Эти различия в размольных свойствах целлюлоз обычно учитываются при размоле смесей сульфитной целлюлозы и тряпичной полумассы, сульфитной и натронной или сульфитной и крафт-целлюлоз. Также различны и размольные свойства беленой и небеленой целлюлозы одного и того же происхождения. Эти различия значительно влияют на результаты размола . При смешанных композициях бумаг желательно вести размол каждого полуфабриката отдельно и после этого смешивать их в бассейне. Однако большинство бумажных фабрик не располагает для этого ни свободной площадью, ни достаточным оборудованием.

Оптимальная продолжительность размола зависит от типа волокна и сорта бумаги. Древесные целлюлозы значительно различаются по своим размольным свойствам даже в том случае, когда они сварены по одному и тому же способу. Для того чтобы получить более или менее близкие показатели прочности бумаги, целлюлозу из лиственной древесины, как правило, следует размалывать до значительно меньшей садкости, чем целлюлозу из хвойной древесины. Сульфитная целлюлоза из западного гемлока размалывается обычно значительно труднее сульфитной целлюлозы из ели. Очень немногие целлюлозы приготовляются с учетом необходимости получения максимальной способности «оводняться», так как это требует продолжительной варки при низкой температуре, что удорожает стоимость целлюлозы. Кроме того, не для всех бумаг требуется это свойство. Однако целлюлозы, предназначенные для изготовления прочных непористых бумаг, например документной и карточной, должны хорошо «оводняться», а для некоторых сортов бумаги, например пергамина и жиронепроницаемой, целлюлоза должна обладать способностью максимально «оводняться».

Некоторые недревесные целлюлозы требуют особенно продолжительного размола. Например, льняные волокна для папиросных: бумаг обычно размалываются в ролле 15—30 часов. Масса из ма-нильских канатов обычно размалывается 8—12 часов; для размола тряпичной полумассы из манильской пеньки, применяемой в производстве тонкой копировальной бумаги, часто требуется 20—30 часов. Однако все виды соломенной целлюлозы размалываются исключительно легко и применяются (хотя и не в США) для производства бумаги легкого веса (сигаретной, словарной и др.) с целью придания ей «звонкости». Например, пшеничная соломенная целлюлоза и целлюлоза из багассы достигают максимальной прочности уже через 10—30 минут размола, тогда как для древесных целлюлоз при тех же условиях размола на это требуется 40—60 минут.

Сушка вызывает изменение размольных свойств целлюлозы, так как разрыхление волокон высушенной целлюлозы более трудно, вероятно, вследствие усушки гемицеллюлозы или просто сжатия самой целлюлозы. Фабрики, входящие в систему комбинатов, в большинстве случаев получают целлюлозу в жидком виде с концентрацией 3—15%, так что вопрос о сушке в таких случаях отпадает. Бумажные фабрики, расположенные далеко от целлюлозных заводов, получают целлюлозу в рулонах, влажных свернутых листах или в кипах в сухом виде. Чрезмерная сушка целлюлозы, как известно, оказывает неблагоприятное влияние на прочность волокон. Как правило, высушенная целлюлоза по сравнению с влажной размалывается труднее и дает бумагу более низкой прочности. Камерон установил, что целлюлоза, высушенная в термостате, на 10—15% слабее высушенных на воздухе. Результаты Ляйне и Джеллея показали, что для неразмолотой целлюлозы существует линейное соотношение между понижением прочности на продавливание и сухостью целлюлозы; при высушивании в термостате в целлюлозе осталось только 15% начальной прочности. Потеря прочности размолотых целлюлоз была значительно меньше, причем у сульфатной целлюлозы понижение было меньше, чем у сульфитной.

Высушивание способствует увеличению непрозрачности. Например, Парсонс при замене влажной целлюлозы (тополевой беленой сульфитной) такой же высушенной целлюлозой получил увеличение непрозрачности с 77,3 до 81,0. Это увеличение непрозрачности является ценным для некоторых типографских бумаг, но фабрики, изготовляющие прозрачные бумаги, должны применять влажную целлюлозу или высушенную до 75—85% сухости, а не высушенную полностью. На размольные свойства целлюлозы влияет отбелка: перебеленные целлюлозы при размоле разрушаются значительно быстрее, чем небеленые и слабо беленые.

Кресс и Бьялковский установили, что если бумагу, отлитую из хорошо «гидратированной» массы и высушенную на воз-ДУхе, снова разбить в массу и поместить на длительное время в воду, о масса восстанавливает первоначальную мягкость и «жирность»- и формуется в прочную бумагу. На этом основании авторы считают, что набухание целлюлозных волокон обратимо. В некоторых случаях обратимость процессов протекает крайне медленно, но, если позволяет время, большинство размолотых и высушенных целлюлоз после замачивания в воде возвращается к «гидратирован-ному» состоянию. Процессы набухания не всегда полностью обратимы, особенно если сушка производится при высокой температуре. Это следует учитывать при роспуске сухого брака. Химикам-бумажникам хорошо известно, что мокрый и сухой брак разбиваются в ролле по-разному. Еще одно различие заключается в том, что сухой брак дает более слабую бумагу, чем исходная масса.

На размольные свойства оказывает влияние соотношение весенних и летних волокон в целлюлозе. По количеству этих волокон различаются все целлюлозы, но некоторые из них, особенно сосновые, различаются в значительно большей степени. В отличие от летних волокон весенние волокна в основном более гибки и стенки их тоньше, поэтому при размоле они распадаются на лентовидные частицы, тогда как прочные толстостенные летние волокна распадаются на цилиндрические частицы. Влияние, которое оказывают летние и весенние древесные волокна на свойства бумаги, рассмотрено в следующей главе.

Влияние гемицеллюлозы на размол

Теперь общепризнано, что присутствие менее стойких форм целлюлозы, т. е. бета- и гамма-целлюлозы, целлюлозанов и по-„лиуронидов, оказывает значительное влиянне на размол целлюлозы. Швальбе еще в 1927 г. пришел к выводу, что в целлюлозе, предназначенной для изготовления прочных сортов бумаги, желательно наличие этих гемицеллюлозных веществ; впоследствии многие другие исследователи показали, что в целлюлозе должно присутствовать хотя бы минимальное их количество.

Целлюлоза с малым содержанием гемицеллюлоз сильно сопротивляется размолу и обладает незначительной прочностью в отличие от целлюлозы с высоким содержанием гемицеллюлоз, которая размалывается очень быстро и дает прочную бумагу. Древесная целлюлоза, облагороженная до содержания около 99% альфа-целлюлозы, совершенно не размалывается и не дает бумаги удовлетворительного качества, поскольку волокна не набухают в воде и остаются в сжатом состоянии. Коттролл установил, что целлюлозы с высоким содержанием альфа-целлюлозы более хрупки при размоле, чем целлюлозы с высоким содержанием гамма-целлюлозы. Если в целлюлозе вследствие отбелки или кислотной деструкции увеличивается количество деструктированной целлюлозы, то такая целлюлоза будет размалываться легче; в некоторых случаях из нее может даже получиться более прочная бумага, чем из необработанной целлюлозы, если деструкция не слишком велика. Холоцеллюлоза, как известно, размалывается исключительно быстро; даже для получения очень жирного помола требуется менее 30 минут. При применении холоцеллюлозы сопротивление продавливанию возрастает чрезвычайно быстро благодаря ее свойству «оводняться». Максимальная прочность достигается при очень небольшом размоле; при дальнейшем размоле происходит ослабление волокна.

Начиная с 1931 г., было проведено много работ по установлению влияния гемицеллюлоз на размольные свойства и прочных древесных целлюлоз. Во многих случаях доказана прямая зависимость между содержанием гемицеллюлоз и «гидратационной» способностью древесной целлюлозы. На целлюлозе из лиственной древесины Юнг и Роулэнд показали, что показатель набухания целлюлозы типа альфа с содержанием пентозанов менее 2,5% достигал 4%, тогда как для крафт-целлюлозы из южных штатов (12,6% пентозанов) этот показатель уже составил 96%. Таким образом, наиболее вероятное объяснение роли, которую играют гемицеллюлозы при размоле, заключается в том, что они обладают высокогидрофильными свойствами. Эта гидрофильность гемицеллюлоз, объясняемая относительной короткой длиной их цепей, вызывает абсорбцию волокнами большого количества воды и образование внутри волокон желатинозных гидратов, что приводит к набуханию и разъединению фибриллок, облегчающих фибриллирование. Сильно желатинизированная поверхность, образуемая этими веществами, обеспечивает прочные связи, возникающие между волокнами в процессе сушки бумаги.

Можно привести много других примеров в доказательство того, что чем больше гемицеллюлоз содержится целлюлозе, тем быстрее происходит размол. В общем хорошо проваренные, но не разрушенные древесные целлюлозы, содержащие высокий процент гемицеллюлоз, быстро размалываются и дают бумагу высокой прочности. Сульфитная целлюлоза, сваренная по медленному митчер-лиховскому способу, содержит более высокий процент гемицеллюлоз и поэтому «оводняется» в ролле быстрее, чем сульфитная целлюлоза, сваренная при жестких условиях. Сульфитная целлюлоза, полученная из пород древесины, произрастающих на западе Северной Америки, и содержащая относительно меньше гемицеллюлоз, обычно медленно приобретает «жирность» при размоле. Целлюлоза из лиственной древесины, содержащая больше пентозанов, приобретает жирность быстрее, чем еловая, если обе изготовлены по сульфитному способу. Фриз приготовил из тополя легко размалывающуюся целлюлозу, применив варку по полу-Целлюлозному способу при таких условиях, которые обеспечили сохранение в целлюлозе очень высокого процента неразрушенной гемицеллюлозы.

Между содержанием пентозанов и размольными свойствами целлюлозы не всегда имеется прямая зависимость. Наоборот, хорошо известно, что беленая натронная целлюлоза из лиственной древесины, которая обычно содержит высокий процент пентозанов, Размалывается медленно. В упомянутой выше работе Юнга и Ро-улэнда указано, что зависимость между содержанием пен-тозанов и способностью к набуханию у целлюлоз из лиственной древесины выражена значительно слабее, чем у целлюлоз из хвойной древесины. Это, вероятно, объясняется различием связи между пен-тозанами и целлюлозой в указанных двух целлюлозах. В одной из современных работ показано, что количество гемицеллюлозы, экстрагируемой щелочью, является более надежным показателем размольных свойств целлюлозы, чем общее содержание гемицел-люлоз. Очевидно, пентозаны, которые прочно связаны с целлюлозой, мало влияют на ее гидратационные свойства, тогда как

пентозаны, связанные с геми-целлюлозной фракцией, оказывают значительное влияние на размольные свойства целлюлозы. Хегглунд и Вебьйорн полагают, что к таким пентоза-нам относятся полиозы с низкой степенью полимеризации; именно они облегчают размол. Вместе с тем высокополимери-зованные полиозы не способствуют набуханию и не делают целлюлозу легко размалываемой. Коттролл установил, что по сравнению с бумагой, изготовленной из неэкстрагирован-ной целлюлозы, бумага из сульфитной целлюлозы после удаления из нее щелочной обработкой гемицеллюлозы имела пониженную прочность на про-давливание, пониженное сопротивление раздиранию и повышенную непрозрачность. Пониженное сопротивление раздиранию указывает на то, что при удалении гемицеллюлоз щелочью волокна становятся несколько более хрупкими и под воздействием ножей рольного барабана фраг-ментируются быстрее, чем фибриллируются. Понижение сопротивления продавливанию и повышение непрозрачности показывают, что при удалении из целлюлозы растворимых в щелочи гемицеллюлоз сцепление волокон ослабляется.

Хлопок и тряпичная полумасса представляют собой исключение, так как, несмотря на низкое содержание в этих материалах гемицеллюлоз (обычно менее 1%), бумага из них получается прочная. Это явление объясняется тем, что хлопок и тряпичная полумасса фибриллируются в большей степени, чем древесные целлюлозы, разделяясь на длинные, очень тонкие фибриллы, которые при переплетении образуют прочный лист. Однако из-за низкого содержания в них гемицеллюлоз хлопковые целлюлозы размалываются значительно труднее, чем древесные, и требуют более про-полжительного размола. Кроме того, Оберманс показал, что прибавление гемицеллюлозных веществ (например, ксилана и бета-целлюлозы) увеличивает скорость гидратации и прочность тряпичной полумассы. В той же связи Массер и Энджел установили, что хлопковые целлюлозы пониженной вязкости размалываются быстрее; также быстрее размалывается химически деструк-тированная хлопковая целлюлоза. Таким образом, уменьшение вязкости тряпичной целлюлозы уменьшает сопротивление волокон механическому воздействию при размоле. Однако вязкость, которую следует уменьшить перед размолом, должна все же оставаться достаточно высокой, так как при вязкости, соответствующей заметному увеличению скорости размола, значительно ухудшается качество бумаги.

Влияние лигнина на размол

Другим важным фактором, определяющим размольные свойства целлюлозы, является содержание в ней лигнина. Если лигнин удален из древесины путем варки, волокна легко отделяются друг от друга при слабом механическом воздействии. Действительно, Риттер сообщает, что древесина, из которой удалены лигнин и гемицеллюлозы, может быть легко разделена на фибриллы, если этому не предшествовала сушка.

Хэлл пришел к выводу, кто для сульфатных целлюлоз легкость размола обратно пропорциональна содержанию лигнина и что эти целлюлозы, содержащие высокий процент лигнина, имеют высокую садкость и низкую прочность и медленно размалываются. Это согласуется с результатами, полученными Льюисом и Ричардсоном. Зависимость между скоростью размола и содержанием лигнина в сульфитной целлюлозе выражается не так ясно, так как небеленые сульфитные целлюлозы содержат высокий процент гемицеллюлозных веществ и лигнина; поэтому высокая гидратационная способность этих гемицеллюлоз перекрывает влияние лигнина. Однако Хегглунд и Вебьйорн показали, что при высоком содержании лигнина даже сульфитные целлюлозы трудно размалываются, несмотря на высокое содержание в них легко размалываемых низкомолекулярных гемицеллюлоз. Очевидно, лигнин предохраняет эти полиозы от размола и предотвращает доступ к ним воды, так как при удалении одного только лигнина хлоритной обработкой целлюлоза размалывается очень легко. Из своей работы Хэлл сделал вывод, что различия между размольными свойствами и прочностью обычной и митчерлиховской сульфитных целлюлоз больше, чем можно предположить, исходя из различного содержания в них лигнина.

Во многих случаях имеется прямая зависимость между способностью к отбелке и размольными свойствами целлюлозы. Например, при размоле в британском стандартном дезинтеграторе Мэсон с сотрудниками установил почти линейную зависимость между белимостью и скоростью гидратации сульфитной целлюлозы.

Влияние температуры на размол

Температура является важным фактором размола целлюлозы. На многих бумажных фабриках различие температур воды в зимние и летние месяцы достаточно велико для того, чтобы влиять на размольные свойства целлюлозы. В зимнее время температура массы может падать до 5°, тогда как летом она поднимается до 70° (особенно при размоле тряпичной полумассы или целлюлозы для гонких прозрачных видов бумаги, которые требуют продолжительного размола). Льюис и Гильбертсон установили, что наиболее быстрый размол тряпичной массы происходит при температуре 25°; скорость размола при этой температуре выше, чем при 6 или 45°. Изучая размол беленой сульфитной целлюлозы при 23, 50 и 64° и одинаковой во всех случаях продолжительности размола, равной пяти часам, Стефзнсон пришел к выводу, что понижение температуры размола вызывает увеличение сопротивления продавливанию, разрывной длины, сопротивления изгибу и растяжимости. Хэлл установил, что при размоле крафт-целлюлозы в мельнице Лампена размол ускорялся при понижении температуры с 30 до 6°. С другой стороны, Кларк при размоле в лабораторном бегуне установил незначительное влияние на размол изменения температуры в пре лелах от 25 до 40°.

Работа Хэлла с крафт-целлюлозой показала, что увеличение прочности при понижении температуры связано с повышением скорости размола, так как при размоле целлюлозы до одной и той же садкости прочность была во всех случаях одной и той же. Однако Льюис и Гильбертсои установили, что прочность тряпичных бумаг повысилась при понижении температуры, даже при размоле массы до одной и той же садкости. Для хлопковой целлюлозы Рено получил максимум прочности примерно при температуре 30°. Температура влияет на процесс формования бумаги; в связи с этим Рубин установил, что наиболее прочную бумагу на его фабрике получали в конце зимы и весной, когда температура воды на бумагоделательной машине была около 5—10°. Хэтч установил, что самая прочная бумага получилась в зимнее время.

В совместной работе по размолу прочной сульфитной целлюлозы в ролле «Нобль-Вуд» Либби и Роннинг установили, что скорость размола влажной целлюлозы увеличивалась по мере понижения температуры размола с 80 до 5°. Однако при размоле сухой целлюлозы наибольшей скорости размол достигал при средней температуре 30° и очень замедлялся при низких температурах. Медленный размол сухой целлюлозы при низкой температуре объясняется, вероятно, медленным удалением при этом воздуха из относительно сухих волокон. Кривые прочности бумаги, выработанной из размолотых целлюлоз при одной и той же продолжительности обезвоживания, не совпадают с кривыми скорости размола, так как более высокая прочность соответствует более высоким температурам размола. При температуре 40° были получены лучшие показатели прочности. Более высокая прочность при более высокой температуре размола противоречит результатам большинства других исследователей; очевидно, различия в результатах в значительной степени обусловлены характером размола, т. е. тем, присаживается барабан преимущественно на жирный или на садхий помол. Либби и Роннинг [104] установили, что с понижением температуры размола увеличивается продолжительность обезвоживания, даже при одном и том же показателе садкости.

Для получения медленно обезвоживающейся массы температура ее должна оставаться низкой в течение всего периода размола. Кроме того, для получения лучших результатов следует применять свежую воду, так как температура ее обычно низка даже в летние месяцы. Вода из мелких водоемов и вода, предварительно использованная для охлаждения чего-либо, обычно имеет слишком высокую температуру. Теплая вода обычно непригодна при размоле тряпичной полумассы и массы из манильской пеньки, применяемых в производстве копировальной, документной, прядильной rf подобных сортов бумаги, для которых требуется продолжительный размол. Вообще наиболее эффективным является размол, который Дает приемлемые результаты при наименьшем повышении температуры.

Благоприятное влияние, которое оказывает на волокна низкая температура, отчасти объясняется тем, что набухание их является экзотермическим процессом и, следовательно, при понижении температуры степень набухания волокон увеличивается. Целлюлоза подобно ее эфирам, вероятно, становится более близкой к состоянию «растворимости» в холодной воде, чем в горячей, поэтому низкая температура более благоприятствует размолу и сцеплению волокон. Целлюлозные волокна, нагретые до высокой температуры, очевидно, становятся более или менее деструктирован-ными, что вызывает их усадку и придает им хрупкость. При опытах с тряпичной массой, размолотой в холодной и горячей воде, Льюис и Гильбертсон заметили, что волокна, размолотые при высокой температуре, были более хрупкими, фибриллирование их было грубым и происходило в меньшей степени по сравнению с волокнами, размолотыми при низкой температуре. Рено установил, что при повышении температуры размола с 18 до 60° диаметр хлопковых волокон уменьшается с 30 до 20 щ процесс набухания обратим примерно вплоть до 70—80°. Древесные целлюлозы не так чувствительны к температуре, как тряпичные полумассы, однако хорошо известно, что любая масса, слишком сильно гидратированная для нормальной работы бумагоделательной машины, при нагревании ее паром может стать садкой. Нагрев до точки кипения всегда приводит к стойкому изменению свойств размолотых волокон, если волокна после этого снова не подвергаются размолу.

Влияние добавок на размол

Целлюлоза никогда не размалывается в чистой воде. Производственная вода всегда содержит естественные примеси и искусственные добавки — квасцы, канифольный клей, крахмал, силикат натрия, красящие вещества и пигменты. Последняя категория веществ обычно добавляется для придания бумаге тех или иных свойств; их влияние на размол второстепенно, но в некоторых случаях химикаты добавляются в ролл для «смягчения» целлюлозы. Например, для ускорения размола иногда применяется силикат натрия.

Как уже было отмечено, наличие гемицеллюлоз оказывает очень резко выраженное влияние на размол целлюлозных волокон; важно также и наличие других гидрофильных коллоидов. Бэлл установил, что глюкоза ускоряет размол и с этой целью она может быть применена при размоле массы для пергамина. Метилцеллюлоза, по-видимому, ускоряет размол тряпичной полумассы и древесных целлюлоз. Установлено, что формальдегид также ускоряет размол, вероятно, вследствие усиления набухания в нем волокна. Желатин, по-видимому, задерживает гидратацию; считают, что так же влияет и канифоль.

Замечено, что крепкие растворы кислот, щелочей и солей вызывают при размоле повышение гидратации. Например, Мэнсфилд и Стефенсон установили заметное в большинстве случаев увеличение прочности на продавливание беленой сульфитной целлюлозы при размоле ее в камневой мельнице с добавкой различных химикатов. Применяя химикаты при размоле различных сортов сульфитной целлюлозы, Сутермейстер получил небольшое увеличение прочности. Он установил, что к химической гидратации натронные целлюлозы значительно менее чувствительны, чем сульфитные.

Ионы оказывают важное влияние на целлюлозные волокна, так как целлюлоза представляет собой гель и с ионами ряда Гофмейстера реагирует обычным путем. Стречен считает, что влияние гидратированных ионов достаточно для изменения скорости и степени гидратации, и еще в 1926 году высказал мнение, что фибриллирование — явление в основном электростатическое и ионное. Некоторые ионы могут пептизировать поверхностные молекулы целлюлозных волокон, образуя коллоидный раствор, который при сушке и обезвоживании является обратимым. С другой стороны, Роулэнд отмечает противоположное влияние, которое ионы алюминия и даже кальция и магния оказывают на «гидратацию» целлюлозы. Эдж также установил, что положительно заряженные гидратированные ионы оказывают замедляющее действие на гидратацию и фибриллирование волокон. Это вредное влияние положительно заряженных ионов на размол проявляется, вероятно, в том, что при наличии в целлюлозе сернокислого глинозема значительно увеличивается расход энергии, потребляемой жорданом. По этой причине на некоторых фабриках крафт-бумаг практикуется добавление большей части сернокислого глинозема после жорданов.

Рич высказал мнение, что при размоле целлюлозы в присутствии таких химических веществ, как квасцы, наполнители и красители, медно-аммиачная вязкость уменьшается. Он отмечает понижение вязкости на 3—25% при размоле целлюлозы в присутствии химических веществ, вызывающих понижение рН.


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум