Факторы, влияющие на связь между волокнами

Категория:
Полуфабрикаты из бумаги


Факторы, влияющие на связь между волокнами

Сила связи между волокнами в листе бумаги зависит от химических и физических свойств поверхности волокон и способа переработки последних в бумагу. Эта сила в значительной мере зависит от площади соприкосновения волокон между собой и числа связей, возникших между волокнами в результате размола массы и формования бумаги. Механическая обработка, которой подвергаются волокна при размоле, непосредственно влияет на силу сцепления их в бумаге, так как эта обработка воздействует на поверхность волокон. Помимо размола, на связь волокон влияют некоторые свойства самой целлюлозы, например количество содержащегося в ней лигнина, гемицеллюлозы и деструктированной целлюлозы, а также длина волокон. Все эти факторы в свою очерель зависят от породы древесины и условий ее варки и отбелки.

Для связи между волокнами имеют важное значение их физические и химические свойства. Эти свойства настолько взаимосвязаны, что трудно установить зависимость между отдельными свойствами и бумагообразующими качествами целлюлозы. В особенности это относится к химическим свойствам, так как трудно удалить один или несколько родственных в химическом отношении компонентов древесины, не затронув или не изменив остальных.

Влияние размола

В предшествующей главе было отмечено, что неразмолотые волокна не дают прочного листа бумаги.

Это происходит потому, что:
1) на поверхности неразмолотых волокон может сохраниться наружный слой, который препятствует прочному сцеплению;
2) относительно большие размеры неразмолотых волокон увеличивают их жесткость и препятствуют сближению во время сушки;
3) неразмолотые волокна обладают очень низкой внешней удельной поверхностью. Последнее особенно важно.

При размоле прежде всего происходит разрыв и частичное удаление первичной стенки волокна, вследствие чего обнажается вторичная стенка. После этого происходит раздавливание и истирание, вызывающие разделение волокон на тонкие фибриллы, что приводит к увеличению раскрытой поверхности волокон и одновременно — к повышению гибкости и пластичности волокон. Возрастающая в результате размола удельная поверхность увеличиваёт силы поверхностного натяжения, сближающие волокна, а также увеличивает площадь контакта между ними во время формования бумаги, что в свою очередь усиливает сцепление между волокнами.

Расчет несвязанной поверхности бумаги был сделан из предположения, что отношение между общей и несвязанной поверхностями в бумаге равно отношению между коэффициентом рассеивания в бумаге в полностью несвязанном состоянии (полученном путем формования листа бумаги из той же целлюлозы в ацетоне или бутиловом спирте) и коэффициентом рассеивания изучаемой бумаги.

Использовав метод воздухопроницаемости, основанный на уравнении Козени, Броун установил, что площадь, на которой возникает связь между волокнами в бумаге ручного отлива из неразмолотой сульфитной целлюлозы, ничтожна. При размоле той же целлюлозы до садкости 610 см3 по ШР открытая поверхность волокон в ручных отливках составила только 70—75% поверхности волокон в свободном состоянии, и лишь 25—30% внешней поверхности волокон участвовали в сцеплении между собой. Применяя беленую крафт-целлюлозу, Ратлифф установил, что по мере увеличения площади сцепления волокон в начальных стадиях размола прочность их на продавливание и разрыв увеличивалась линейно, а на последующих стадиях размола наклон кривой прочности падал в зависимости от площади сцепления. Отсюда было сделано заключение, что падение прочности в последующей стадии размола вызывалось разрывом связей внутри волокна.

Влияние фибриллирования

Как уже отмечалось, первичная стенка, окружающая волокно, затрудняет сцепление волокон; при наличии этой стенки невозможно изготовить прочную бумагу при любых условиях ее формования. Слабый размол изменяет это положение, так как в процессе размола стенка удаляется. Однако из слабо размолотых волокон можно получить прочную бумагу лишь при использовании высокого давления для приведения волокон в близкое соприкосновение. С другой стороны, хорошо размолотая целлюлоза будет легко формоваться в прочный лист бумаги при относительно легком прессовании, так как волокна в этом случае легко поддаются воздействию сжимающей силы. Эта положительная особенность размолотой целлюлозы обусловлена фибриллированием, которое происходит во время размола.

Из сказанного вытекает важность фибриллирования при изготовлении бумаги, которое позволяет получать бумагу в технически доступных условиях. Прочную бумагу можно изготовить из слабо размолотой целлюлозы, но это нецелесообразно ввиду необходимости применения при этом сильного прессования, которое ухудшает остальные условия изготовления бумаги. Поэтому фибриллирование следует считать существенным фактором, который приводит к уменьшению размера частиц волокон и позволяет сжимать их в плотный лист бумаги при обычных условиях. Фибриллирование является, таким образом, средством для получения высокопрочной бумаги. Ввиду недостаточной фибрилляции волокон искусственного шелка, из них при обычных условиях нельзя получить прочную бумагу, несмотря на их гидрофильность.

Для иллюстрации важности фибриллирования рассмотрим явления, которые происходят при сушке бумаги. Прежде всего следует отметить, что силы поверхностного натяжения сближают волокна. В неразмолотой массе, где волокна относительно грубы, эти силы недостаточны для большого сжатия, но если масса хорошо фибрил-лирована, бумага будет давать сильную усадку при сушке, так как фабриллы оказывают слабое сопротивление силам поверхностного натяжения, которые сближают их. Кэмпбелл высказал мнение, что сопротивление волокна сближению пропорционально четвертой степени его диаметра, поэтому нефибриллированные волокна по сравнению с тонкими фибриллами и фибриллками достаточно сильно противостоят сближению под влиянием сил поверхностного натяжения. Таким образом, величина сжатия волокон зависит от степени их фибриллирования.

Между размолотыми и неразмолотыми волокнами имеется раз-личие как в характере усадки, так и в величине ее. Размолотые волокна претерпевают наибольшее сжатие до начала усадки индивидуальных волокон, а неразмолотые волокна на этой стадии сушки сжимаются очень мало. Сжатие размолотых и неразмолотых волокон становится одинаковым после того, как влагосодержание, уменьшаясь, достигнет величины, соответствующей началу сжатия волокна, так как при этом происходит сжатие фибрилл в волокне. Однако и до этого состояния влажности размолотые волокна подвергаются значительному сжатию, поэтому общее сжатие больше в листах из хорошо размолотых волокон, чем из слабо размолотых. Иными словами, все волокна дают усадку после снижения их влажности ниже точки насыщения, но размолотые волокна начинают сближаться значительно раньше, чем в них будет достигнут этот уровень влажности.

Усадка, которой бумага подвергается при сушке, протекающей без натяжения, используется иногда в качестве мерила смачиваемости целлюлозы независимо от степени укорочения волокон.

Фибриллирование увеличивает прочность бумаги в сухом состоянии, так как усиливает сцепление волокон. Следовательно, усиление фибриллирования при размоле приводит к соответствующему увеличению прочности бумаги. Однако при размоле выше некоторого предела прочность бумаги снижается, так как при чрезмерном размоле волокна частично деструктируются. Лист из такой перемолотой целлюлозы слабый и по своим свойствам отличается листов из целлюлозы, размолотой в течение оптимального времени размола. Максимальная прочность достигается при относительно неповрежденных волокнах с сильно фибриллированной поверхностью.

Влияние содержания гемицеллюлоз

В предыдущей главе было отмечено, что целлюлоза с высоким содержанием гемицеллюлоз быстро размалывается и образует бумагу высокой прочности, тогда как целлюлоза с низким содержанием гемицеллюлоз (исключая тряпичные полумассы) размалы-взется значительно труднее и дает слабую бумагу. Важность наличия гемицеллюлоз для получения прочной бумаги из древесной целлюлозы теперь хорошо известна. Считают, что эффективность гемицеллюлоз злключается в том, что молекулы их имеют более короткие цепи по сравнению с целлюлозой и что они более гидрофильны. Это проявляется в лучшем оводнении и в более прочном сцеплении поверхности смежных волокон при высушивании. Связывающее действие гемицеллюлоз за счет взаимного сцепления их гидроксильных групп было доказано Эйкеном, который показал, что при прибавлении ксилана к обычной тряпичной массе прочность бумаги значительно увеличивалась, тогда как при прибавлении ацетилированного ксилана прочность бумаги уменьшалась ввиду отсутствия в нем активных гидроксильных групп. Целлюлоза гидрофильна по своей природе, но часть ее, имеющая прочную кристаллическую структуру, недоступна гидратации и даже остальная — аморфная часть целлюлозы нелегко гидратируется, если цепи ее длинные. Эффективность гемециллюлоз в отношении образования связей между волокнами состоит еще и в том, что гемицеллюлозы образуют такие области в.структуре волокна, в которых легче происходит фибриллирование.

Следует отметить, что само по себе общее содержание гемицеллюлоз или пентозанов не является эффективным. Действительно, натронная целлюлоза из лиственной древесины содержит больше пентозанов, чем сульфитная целлюлоза из хвойной древесины, но озодняется она не так хорошо. Это явление указывает на то, что пентозаны как группа неэффективны. Коттролл установил, что сопротивление продавливанию беленых сортов древесной целлюлозы, независимо от того, являются они сульфитными или сульфатными, примерно пропорционально содержанию в них гамма-целлюлозы, хотя при этом должны быть и другие благоприятные для прочности факторы, например соответствующая длина волокон и минимальная их деструкция. Гринени также установил явную зависимость между содержанием гамма-целлюлозы и прочностью, но Хеббс указывает, что эта зависимость наблюдается не всегда, особенно при сравнении тряпичной полумассы и хорошо проваренной древесной целлюлозы. Коттролл высказал мнение, что указанная зависимость несвойственна небеленой целлюлозе ввиду наличия в ней большого количества лигнина, который маскирует зависимость между содержанием гамма-целлюлозы и сопротивлением продавливанию.

Клингшгедт установил, что возрастание максимальной прочности целлюлоз, применяемых для производства бумаги, определяется скорее возрастанием содержания веществ, растворимых в щелочи, чем содержанием пентозанов. Уайз также указывает, что содержание гемицеллюлоз, экстрагируемых щелочью, более показательно в отношении прочности, чем общее содержание гемицеллюлозы; при проведении опытов Уайз использовал два образца целлюлозы (осиновую беленую крафт-целлюлозу и модифицированную холоцеллюлозу) с одинаковым содержанием ксилана, разным содержанием веществ, экстрагирующихся щелочью. Модифицированная холоцеллюлоза с повышенным содержанием веществ, экстрагируемых щелочью, размалывалась быстрее и из Нее получалась бумага с более высоким сопротивлением продавливанию (но с пониженным сопротивлением раздиранию) по сравнению с осиновой беленой целлюлозой. Это совпадает с утверждением Хегглунда и Вебьерна о том, что легкость размола обусловлена низкополимеризованными полиозами.

Сказанным отчасти объясняется более трудное оводнение натронных видов целлюлозы по сравнению с сульфитными, изготовленными из древесины той же породы, так как при натронном способе удаляются растворимые в щелочи гемицеллюлозы. Вследствие этого, как отмечено в главе о подготовке волокна, волокна при размоле становятся не оводняющимися, а хрупкими и фрагментирующи-мися. Ранее было отмечено, что в технических целлюлозах около 50% сохранившихся гемицеллюлоз представляют собой деструкти-рованные остатки веществ, содержащихся в альфа-целлюлозе, и эти остатки не так эффективны при изготовлении бумаги, как полиурониды. Сообщалось также, что из целлюлозанов маннан более эффективен, чем ксилан.

Целлюлоза из пшеничной соломы, стеблей кукурузы и других недревесных растений содержит много больше гемицеллюлоз, чем древесная целлюлоза; однако этого недостаточно, чтобы сделать ее безупречным полуфабрикатом для производства бумаги. В этих растениях величина волокон, соотношение количества волокнистых и неволокнистых клеток и физические свойства волокон играют значительно более важную роль, чем химические свойства целлюлозы. Например, хотя по содержанию гемицеллюлозы клетки сердцевины стоят на одном из первых мест, имеются лубяные волокна, которые дают наиболее прочную бумагу, так как они длиннее и обладают большей способностью к фибриллированию. Эти волокна, вследствие высокого содержания гемицеллюлоз, оводняются очень легко, так что их применение ограничивается бумагами, производство которых связано с очень слабой механической обработкой. Если механическая обработка производится очень интенсивно, масса обезвоживается крайне медленно, что вызывает снижение скорости бумагоделательных машин и дает хрупкую бумагу. Однако в некоторых случаях применение этих волокон выгодно, например при получении жесткой бумаги для гофрирования или в качестве волокнистой добавки, понижающей стоимость композиции бумаги.

Целлюлоза с очень большим содержанием гемицеллюлозы ги-дратируется слишком быстро, и садкость ее понижается прежде, чем развивается соответствующая садкости прочность бумаги. Из такой целлюлозы получается бумага, обладающая сильной просвечиваемостью, звонкостью и низкой прочностью. Джайме установил, что из холоцеллюлозы, которая содержит всю геми-целлюлозную часть древесины и не содержит лигнина, получаются бумаги с пониженной прочностью. При удалении части гемицеллюлоз слабой щелочной обработкой прочность бумаги увеличивается до оптимального значения, после которого дальнейшее удаление вызывает уменьшение прочности. Джайме установил, что оптимальная прочность соответствует выходу холоцеллюлозы примерно в 50—52% от веса древесины, колеблясь до 56% для прочности на продавливание и разрыв и до 47% — для сопротивления раздиранию.

Клаудитц установил, что сопротивление разрыву жесткой еловой сульфитной целлюлозы, отбеленной хлоритом и затем экстрагированной 0,1%-иым раствором едкого натра, после экстракции возросло, тогда как выход понизился примерно с 65 до 54%. При установлении количества определяемых гемицеллюлоз Риттер и Хайни, признавая значение регулируемого содержания гемицеллюлоз, высказали предположение, что холоцеллюлоза может быть использована в качестве исходного вещества, из которого можно получить массу с заданными размольными свойствами. При приготовлении холоцеллюлозы не происходит деструкции целлюлозы, которая имеет место при варке, и количество быстро оводняющихся гемицеллюлоз может затем регулироваться экстракцией щелочью. При этом способе можно регулировать соотношение целлюлозы и гемицеллюлозы и таким путем получить целлюлозу, которая дает прочную бумагу. Однако гидратация этой целлюлозы будет происходить настолько замедленно, что во время размола садкость будет понижаться лишь постепенно.

Исследователи, работающие в других областях, установили, что максимальной прочности бумаги соответствует оптимум содержания гемицеллюлозы. Прибавляя к тряпичной массе 6,5% ксилана, который был получен экстракцией натронной целлюлозы щелочью, Оберманс установил, что сопротивление раздиранию и изгибу при этом увеличилось; при дальнейшем повышении процента добавки эти показатели понизились. Однако сопротивление разрыву возросло прямо пропорционально содержанию пентозанов. При добавке к облагороженной сульфитной целлюлозе до 16% гемицеллюлозы увеличивались показатели сопротивления продавливанию, изгибу, раздиранию и разрыву. При добавке к обычной сульфитной целлюлозе до 20% гемицеллюлозы прочность также увеличивалась, а при дальнейшем увеличении процента добавки наблюдалась тенденция к небольшому снижению прочности.

В работе по изучению осиновой холоцеллюлозы Уайз сообщает, что максимальному сопротивлению продавливанию и разрыву соответствовало содержание гемицеллюлозы около 20%; при этом, однако, бумага обладала минимальными показателями непрозрачности и сопротивления раздиранию. Таким образом, оптимум содержания гемицеллюлозы определяется желательными свойствами бумаги, а также породой древесины и методом варки.

Влияние содержания целлюлозы

Сцепление волокон — очень сложное явление, которое определяется рядом различных факторов. К числу уже упоминавшихся важных факторов относятся: степень и характер фибриллирования, а также количество гемицеллюлозы или деструктированной целлюлозы, имеющейся в волокнах. Уже было показано, что сцепление волокон усиливается до некоторой величины по мере увеличения содержания гемицеллюлозы, а затем, при дальнейшем повышении ее содержания, сцепление ослабевает и сопротивление продавли-ванию и изгибу падает. До сих пор ничего еще не сообщалось о роли собственно целлюлозы (т. е. клетчатки), содержащейся в волокне. Этот вопрос касается зависимости, замеченной между прочностью бумаги и степенью полимеризации самой целлюлозы в целлюлозных волокнах.

Оценить влияние самой целлюлозы на связь между волокнами трудно, поскольку трудно получить надежный показатель степени полимеризации целлюлозы (СП). Для определения СП широко применяется измерение медно-аммиачной и медно-этилендиаминовой вязкости, но эти испытания имеют определенные ограничения, так как они зависят от содержания в целлюлозе лигнина и гемицеллюлозы, а также от состояния самой целлюлозы. Поэтому определение вязкости не может быть использовано как абсолютный показатель степени полимеризации целлюлозы.

Между степенью полимеризации целлюлозы в целлюлозных волокнах (определенной по вязкости) и прочностью бумаги, изготовленной из этих волокон, выявляется зависимость лишь в определенных ограниченных пределах. Кроме того, эта зависимость не всегда сохраняется, поэтому определение вязкости для суждения о возможной силе связи волокон в бумаге используется в производстве в ограниченных масштабах. Однако при определенных условиях указанная зависимость проявляется настолько очевидно, что заслуживает внимания.

Среди многих исследователей, заметивших наличие зависимости между степенью полимеризации целлюлозы и ее прочностью, был Джайме, который установил, что сопротивление раздиранию и продавливанию возрастает почти пропорционально увеличению СП целлюлозы от 400 до 1400, и что сопротивление изгибу значительно возрастает при СП выше 900. Штаудингер и Рейнеке получили очень сходные результаты, установив, что сопротивление раздиранию и продавливанию возрастает по мере увеличения СП примерно до 1000, после чего становится почти постоянным. Для небеленой сульфитной целлюлозы Паскои установил наличие зависимости между медно-аммиачной вязкостью и сопротивлением продавливанию, но не обнаружил аналогичной зависимости для сопротивления раздиранию. Этот же исследователь обнаружил зависимость между сопротивлением раздиранию и вязкостью у беленой сульфитной целлюлозы. У небеленой целлюлозы Джайме заметил менее выраженную зависимость между СП и прочностью, чем у беленых целлюлоз. Рулон заметил прогрессирующее понижение максимальной прочности сульфитной и натронной целлюлозы по мере снижения медно-аммиачной вязкости посредством отбелки. В своей работе Парсонс показал, что сопротивление изгибу и продавливанию сульфитной целлюлозы увеличивалось по мере увеличения текучести (величина, обратная медно-аммиачной вязкости), вызываемой отбелкой. Однако это увеличение прочности с уменьшением вязкости наблюдалось только при полной отбелке целлюлозы, после чего наступало понижение прочности вследствие перебелки. Муссер и Энгель обнаружили значительное ухудшение механических свойств бумаги при удельной вязкости хлопковой целлюлозы ниже 10; это примерно наблюдалось в той же точке, с которой начинала возрастать скорость размола. Лэндт и Рулон установили, что из хлопковой целлюлозы пониженной вязкости получается бумага с низким сопротивлением разрыву. Мак-Грегор деструктировал тряпичную массу кислотами, отбелкой и нагревом и доводил вязкость до 2/3, 1/2, 1/3 от начального значения. При этом он установил определенную зависимость между вязкостью и максимальным сопротивлением изгибу. Бьялковский также показал, что сопротивление изгибу уменьшается по мере уменьшения медно-аммиачной вязкости тряпичной полумассы. Шур и Льюис сообщили о зависимости между степенью полимеризации целлюлозы (измеренной посредством медно-этилендиаминовой вязкости), размольными качествами и прочностью целлюлозы. Согласно их сообщению, высоковязкая целлюлоза сантипуаз или выше, СП около 1500) характеризуется высоким сопротивлением разрезанию, так что во время размола она успевает достаточно хорошо фибриллироваться. Целлюлоза с очень низкой вязкостью (4 сантипуаза, СП около 600), при размоле легко разрушается из-за низкого сопротивления разрыву, не достигая той степени фибриллирования, которая необходима для получения прочной бумаги. В связи с этим высоковязкие целлюлозы рекомендуется применять для тех видов бумаги, от которых требуются высокие показатели прочности и плотности, например для фильтровальных, тонких копировальных, конденсаторных и денежных, тогда как низковязкие целлюлозы рекомендуются для видов бумаги, требующих высокой степени мягкости и пухлости, например книжных.

Из изложенного следует, что при прочих равных условиях целлюлоза с более высокой степенью полимеризации дает более прочную бумагу. Зависимость между прочностью и степенью полимеризации достоверна для хлопковых целлюлоз (вероятно, вследствие менее сложной природы их); однако эта зависимость справедлива Для древесной целлюлозы только при сравнении целлюлозы одних и тех же типов. Но даже и в этом случае результаты часто в боль-шеи степени зависят от некоторых других условий, чем в случае применения хлопка. При одинаковой или пониженной СП сульфатная целлюлоза обычно прочнее сульфитной, что может быть объяснено влиянием других факторов, которые перекрывают влияние самой целлюлозы в волокне.

Влияние длины волокна

Многие годы химики-бумажники рассматривали длину волокна как наиболее важный показатель его качества. Дпина волокна — действительно чрезвычайно важный показатель, однако менее значительный, чем способность волокна к оводнению или фибриллиро-ванию, так как прочная бумага может быть получена только при высокой степени сцепления волокон, препятствующей скольжению их друг относительно друга. Например, бумага из европейской крафт-целлюлозы имеет более высокое сопротивление продавливанию (но более низкое сопротивление раздиранию), чем крафт-целлюлоза из южных областей США, хотя последняя имеет волокно большей длины. Кроме того, установлено, что сопротивление продавливанию соломенной целлюлозы со средней длиной волокна 0,3— 0,4 мм при некоторых условиях может приблизиться к сопротивлению продавливанию еловых целлюлоз со средней длиной волокна 1,2—1,8 мм. Другим доказательством подчиненной роли длины волокна является то, что при размоле сопротивление продавливанию, разрыву и излому увеличивается, несмотря на то, что длина волокна при этом уменьшается.

Тем не менее длина волокна, несмотря на свое второстепенное значение по сравнению с силой сцепления волокон, должна учитываться в производстве бумаги, так как после возникновения наибольшего возможного сцепления прочность бумаги пропорционально зависит от длины составляющих ее волокон. Чем длиннее волокна, тем меньше возможность скольжения между ними в бумаге, подвергнутой напряжению.

Манильская пенька, имея большую ллину волокна и высокую способность к фибриллированию, дает одну из самых прочных бумаг. По этой же причине такие гидро-бильные скрепляющие вещества, как крахмал, тем эффективнее, чем длиннее волокна; эта эффективность возрастает от древесной массы к натронной целлюлозе, затем к сульфитной целлюлозе и наконец, к тряпичной полумассе. В каждом из этих материалов крахмал создает примерно одинаковое сцепление волокон, поэтому представляется возможным установить преобладающее влияние фактора длины волокна. Однако, как справедливо было указано в отношении некоторых длинноволокнистых сортов целлюлозы, например из манильской пеньки, которая исключительно хорошо оводняется, и других длинноволокнистых, хорошо фибриллированных волокон этого типа, крахмал в этих случаях относительно слабо влияет на прочность бумаги.

По вопросу влияния длины волокна на свойства бумаги среди исследователей имеются разногласия. Часть этих разногласий объясняется различными условиями опытов, а часть тем, что данные получались на протяжении многих лет при различном состоянии науки. Метод определения и данные о длине волокон отличались значительным разнообразием. Все это, конечно, влияло на выводы о значении длины волокна. По обычному методу волокна данного полуфабриката разделяются на фракции различной средней длины. Трудность применения этого метода заключается в том, что фракционирование не только разделяет массу на фракции, различные по длине волокон, но производит и комплексное разделение на тонкие и грубые волокна и не устраняет колебаний, обусловленных различием химических свойств фракций волокна и различием плотности испытываемой бумаги.

Другой метод заключается в разрезании данной порции волокон на фракции различных размеров. В этой связи Броун установил, что длинные волокна, которые разрезаны до той же длины, что и мелочь, не дают такого же эффекта, как естественная мелочь, чем подтверждается ее особое влияние. Следует отметить, что механически приготовленная мелочь, как это установлено автором, не приводит к заметному замедлению обезвоживания массы по сравнению с огромным замедлением при наличии естественной мелочи. Так как естественная мелочь содержит значительно больше смолы и золы, чем длинные волокна, следовало ожидать особого влияния ее на свойства бумаги, что, как было отмечено выше, фактически подтвердилось.

Даугти фракционировал сульфитную целлюлозу из ели и эвкалипта посредством мокрого сортирования на длинноволокнистые и коротковолокнистые фракции; средняя длина волокон длинноволокнистой фракции была 2 мм для ели и 1,51 мм для эвкалипта; средняя длина волокон коротковолокнистой фракции была мм для ели и 0,07 мм для эвкалипта. Полученные Даугти результаты показали, что при неизменном содержании в бумаге длинноволокнистой фракции и обрывков волокон влияния длины волокна на сопротивление разрыву не замечалось; при одинаковых условиях влажного прессования из коротковолокнистой целлюлозы получалась бумага с более высоким сопротивлением разрыву, потому что содержание обрывков волокон в бумаге было выше. Однако даже при том же самом содержании обрывков волокна сопротивление раздиранию было заметно выше для бумаги, изготовленной из длинноволокнистой фракции волокна.

Применяя беленую сульфитную целлюлозу, разрезанную на обрезки волокон различных размеров, Броун установил, что бумага, изготовленная из коротких волокон, почти совсем не обладает сопротивлением продавливанию, тогда как бумага из целлюлозы с естественной мелочью обладает исключительно высоким сопротивлением продавливанию. Бумага из длинных волокон обладает относительно более низким сопротивлением продавливанию, но исключительно высоким сопротивлением раздиранию.

Кларк применил для опытов вискозный искусственный шелк, разрезанный при помощи острой гильотины на фракции: 0,5—1 мм; 1,5—2 мм; 2,5—3 мм; 3,5—4 мм и 4,5—5 мм. Из этих различных фракций он изготовил бумагу, добавив к массе в качестве связующего вещества слизь плодов рожкового дерева.

Монтиньи и Зборовский исследовали зависимость между свойствами целлюлозы и длиной волокна, применив при этом для измерения длины волокна решетку Монтиньи. В своей работе они использовали беленую сульфатную целлюлозу, которая была размолота до различной длины волокна. Результаты этой работы показывают, что существует прямолинейная зависимость между длиной волокна целлюлозы и сопротивлением бумаги раздиранию, Сопротивление продавливанию и разрыву оказалось более сложной функцией длины волокна и жирности массы.

Установлено, что сопротивление раздиранию и, в меньшей степени, сопротивление излому в основном зависят от длины волокна. Следует заметить, что на показатели сопротивления разрыву и продавливанию больше влияет сила сцепления волокон, чем их длина. Винсент и Уайт считают, что длина волокна в целлюлозе играет важную роль только при длине его, превосходящей 0,3 мм. Они полагают, что сопротивление продавливанию и разрыву, а также излому возрастает с увеличением длины волокна от 0,3 до 0,9 мм и затем уменьшается при дальнейшем увеличении длины волокна.

Однако по мере возрастания длины волокна сопротивление раздиранию увеличивается без каких-либо ограничений.

Для установления влияния мелочи, содержащейся в древесной массе, было выполнено много работ, так как количество мелочи в древесной массе является наиболее важной характеристикой ее свойств. Мелочь в древесной массе отличается от мелочи, содержащейся в целлюлозе, так как она достаточно однородна по химическому составу, тогда как мелочь в целлюлозе содержит сравнительно высокий процент лучевых клеток, которые отличаются от обычных своими химическими свойствами. Таким образом, в древесной массе влияние мелочи иное, чем в целлюлозе. Большинство выполненных работ подтверждает это положение. Парсонс заметил, что бумаги из целлюлозной мелочи (сульфитной) плотные, звонкие и хрупкие, тогда как бумаги из мелочи древесной массы мало отличаются от бумаг, изготовленных из других фракций древесной массы. Кресс и Бьялковский фракционировали различные виды целлюлозы и древесной массы путем сортирования и установили, что в противоположность целлюлозе, у древесных масс сопротивление продавливанию и разрыву увеличивается по мере уменьшения длины и толщины волокон.

Шефер и Карпентер установили, что плотность и механические показатели (модули эластичности, прочности в поперечном направлении и разрыва) картонов, изготовленных из древесной массы, возрастают по мере уменьшения средней длины волокон, полученных путем рассортирования массы на фракции с различной длиной волокон. Применяя древесную массу из канадской тсуги восточных районов, разделенную на фракции по весу, Шефер и Сантахольма установили, что сопротивление раздиранию и продавливанию достигало максимума при средней длине волокна около 0,15 мм (вычислено по средней величине отверстий двух сит, между которыми задерживается данная фракция), тогда как сопротивление разрыву вполне закономерно возрастало при увеличении длины волокна, следуя за увеличением плотности листов. Кларк также отмечает положительное влияние, которое оказывает мелочь на прочность древесномассной бумаги. По данным Клемма, бумага, содержащая мелочь, обладает более высоким сопротивлением продавливанию и разрыву (а масса значительно жирнее), чем бумага, полученная из фракций волокна, не содержащих мелочи. Он высказывает мнение, что качество мелочи более важно, чем количество ее.

Идеальная композиция для многих бумаг должна содержать волокна всех градаций по размерам частиц — от максимальных до мелких обрывков волокон, так как при этом бумага получается более плотной и прочной. Диаметр волокон целлюлозы колеблется в пределах от 20 до 35 микрон, и, следовательно, эти волокна укладываются вместе не очень плотно; обрывки же волокон, образовавшиеся во время размола, заполняют промежутки между длинными волокнами и, таким образом, дают более прочную и более гладкую бумагу. Используя сопротивление раздиранию и разрыву как пока-друг от друга без повреждения вторичных стенок. Это показывает, что межклетный лигнин препятствует хорошему сцеплению поверхностей волокон. При удалении его контакт между стенками волокон значительно улучшается и при очень низком содержании лигнина сила когезии между соседними стенками волокон становится настолько большой, что происходит разрыв внутри вторичных стенок. Бейли установил, что удаление лигнина из готового картона, содержащего значительное количество лигнина, фактически не вызывает никаких изменений прочности картона; это свидетельствует о том, что лигнин не участвует в сцеплении волокон. Относительно низкая плотность бумаг, содержащих древесную массу, по сравнению с бумагами из чистой целлюлозы частично обусловлена большей жесткостью лигнифицированных древесномассных волокон и частично является следствием слабости сил, сцепляющих такие волокна.

В своих очень интересных опытах Джен и Холмберг использовали образцы древесной массы, рассортированные на фракции по длине волокон, и применили двуокись хлора в качестве делигнифицирующего реагента, оказывающего минимальное деструктирующее воздействие на целлюлозу. Уменьшая последним способом содержание лигнина, они обнаружили быстрое и вполне закономерное повышение сопротивления бумаги продавливанию, разрыву, раздиранию и повышение плотности. При удалении лигнина количество пентозанов оставалось относительно постоянным и деструкция волокон была незначительной.

Упомянутые выше опыты были проведены с соблюдением условий, обеспечивающих минимальные изменения в содержании других компонентов древесины. Производственные условия, однако, совершенно отличны, так как удаление других веществ может затемнять влияние удаления лигнина. Например, при содержании лигнина ниже предполагаемого оптимального значения некоторое понижение прочности может быть в значительной степени вызвано одновременным удалением гемицеллюлоз. Однако Лимерик и Кэри высказывают мнение, что лигнин, содержащийся в волокнах, оказывает на плотность бумаги отрицательное влияние, которое намного превосходит положительное влияние гемицеллюлоз.

Как уже было сказано, Джен и Холмберг для удаления лигнина применили двуокись хлора, но подобное увеличение прочности было получено и при удалении лигнина из древесной массы (осиновой) варками по натронному способу в течение 1-4 часов. С другой стороны, при варке древесной массы (белой сосны) по сульфитному способу максимум сопротивления продавливанию, разрыву и излому соответствовал содержанию 6,5% лигнина; при дальнейшей делигнификации прочность быстро уменьшалась, что, вероятно, является результатом деструкции углеводной фракции целлюлозы, происходящей при более длительной варке. Льюис и сотрудники также сделали вывод о том, что прочность бумаги понижается при содержании лигнина больше некоторого максимума, который,по их данным, составляет 8,6% или меньше. Однако, по их мнению, при содержании лигнина в щелочной целлюлозе меньше 8,6% он локализуется главным образом во вторичной стенке волокна, меньше препятствуя сцеплению волокон. На Рис. 48 приведены результаты определения механических показателей еловой целлю лозы, полученной по нейтрально-сульфитному способу с после Дующей делигнификацией по сульфатному способу.

Приведенные выше результаты, полученные для большей части производственных сортов целлюлозы, показывают, что имеется оптимум содержания лигнина, соответствующий максимальной прочности, но, как отмечено в предыдущем параграфе, помимо изменений в содержании лигнина, на результаты прочности влияют, вероятно, изменения других компонентов целлюлозы, происходящие во время варки.

Весенние и летние волокна

В предыдущей главе было показано, что волокна весенней и летней древесины ведут себя при размоле по-разному. Это различие размольных свойств может быть приписано разной толщине стенок волокон. Например, стенки летних волокон в некоторых лиственных породах древесины занимают почти 100% всей площади поперечного сечения волокна, а весенней древесины лишь 30%. Весенние волокна вследствие малой толщины стенок при размоле распадаются и поэтому образуют бумагу большей плотности, чем толстостенные жесткие волокна летней древесины. Куррен установил, что бумаги с повышенным процентом весенних древесных волокон обладают повышенным сопротивлением продавливанию, тогда как присутствие в бумаге летних волокон приводит к Увеличению сопротивления раздиранию. Одна из причин большей прочности бумаги из березовой целлюлозы, чем из других листвен-ных целлюлоз, заключается в том, что стенки ее волокон тоньше.

Другим достоинством весенних волокон является то, что они улучшают однородность и гладкость бумаги, что очень важно для писчих и печатных сортов. Бумаги из 100% весенних волокон имеют плотную структуру, тогда как бумаги из 100% летних волокон являются чрезвычайно грубыми по текстуре.

Сравнение различных видов целлюлозы

Описать различные свойства каждой технической целлюлозы невозможно, но некоторые примеры, упоминающиеся ниже, показывают, как те или иные выделяющиеся свойства целлюлозы сочетаются со специфическим ее применением.

Из крафт-целлюлозы южной сосны и канадской тсуги с западного побережья, имеющих исключительно длинные волокна, получаются бумаги с высоким сопротивлением раздиранию. Из-за этого свойства указанная целлюлоза особенно хорошо пригодна для выработки бумаг, требующих высокого сопротивления раздиранию, например мешочных бумаг. Из целлюлозы дугласовой пихты, отличающейся длинными волокнами, получаются бумаги очень высокой сопротивляемости раздиранию, но они пухлые, пористые и обладают низким сопротивлением продавливанию.

Целлюлоза, полученная из древесины каштана, является исключительно хорошим материалом для изготовления средних слоев гофрированного картона, так как она отличается короткими, жесткими волокнами и высоким содержанием пентозанов, что способствует приданию картону большой жесткости.

Целлюлоза из эспарто особенно полезна для печатных видов бумаги легкого веса, где она создает идеальное сочетание хорошего просвета, текстуры и высокой непрозрачности благодаря тонким волокнам, которые трудно фибриллируются. Натронная целлюлоза лиственной древесины также пригодна для выработки печатных бумаг, так как она состоит из коротких волокон с низкой оводня-емостью, которые благоприятствуют получению бумаги высокой непрозрачности и с гладкой поверхностью (но низкой прочности). Для выработки печатной бумаги также применяется древесная масса.

Наличие грубых, пружинящих волокнистых пучочков, создающих в картоне пустоты, придающие продукции низкую плотность и хорошие изоляционные свойства, позволяет применять эту массу й для выработки изоляционных картонов.

Влияние окиси алюминия, клея, наполнителей и т. д.

При прибавлении к волокнистым материалам любых веществ, за малым исключением, сцепление между волокнами ослабляется-Это особенно относится к гидрофобным веществам, например каш? фоли или парафину, которые вызывают значительное понижение прочности бумаги; в меньшей степени это относится к некоторым гидрофильным материалам, таким, например, как каолин и окись алюминия. Явление понижения прочности, связанного с проклейкой бумаги канифолью, хорошо изучено. Это понижение меньше для бумаг, изготовленных из слаборазмолотой или неразмолотой целлюлозы, чем для бумаг из целлюлоз высокого помола; действительно, канифоль фактически может даже несколько повысить прочность неразмолотой целлюлозы. Смоляная проклейка дре-весномассных бумаг может отчасти увеличить прочность бумаги, но обычно прочность большинства бумаг при проклейке понижается. Добавка большого количества керосина или других веществ для гашения пены на бумагоделательной машине также ослабляет сцепление между волокнами.

Лишь немногие вещества, добавляемые к волокну, увеличивают прочность бумаги. Эти вещества относятся к классу высокомолекулярных соединений (гидрофильных коллоидов), примером которых является крахмал, протеины и растительные камеди. Данные материалы адсорбируются на поверхности волокон и склеивают их по схеме: волокно — связующее вещество — волокно. Влияние этих материалов освещается в последующем разделе.

Влияние рН на размол и сцепление между волокнами освещено в предыдущей главе. Помимо кажущегося незначительного влияния на начальную прочность бумаги, рН имеет очень большое влияние на ее долговечность. На прочность бумаги значительное влияние оказывает сернокислый глинозем, так как он взаимодействует со щелочью, содержащейся в воде, образуя хлопья окиси алюминия, которые ослабляют связь между волокнами. Влияние окиси алюминия на прочность бумаги изучено Келлером, Симонд-сом и Бэрдом. Эти исследователи показали, что сернокислый глинозем взаимодействует с бикарбонатами и гидроокисями, создавая в природных водах достаточное количество хлопьев окиси алюминия, заметно снижающее прочность бумаги, в особенности со-“Ротивление продавливанию. Недостаточно промытая щелочная целлюлоза содержит остаток щелочи, увеличивающий потребность в сернокислом глиноземе; в результате образуется чрезмерное количество хлопьев окиси алюминия, приводящее к понижению прочности бумаги. Чослей и сотрудники установили, что при недостаточно промытой сульфатной целлюлозе для понижения рН массы до 4,5—5 требуется 10—14 кг сернокислого глинозема на 1 т целлюлозы.

Сцепление между слоями многослойного картона

Для оценки общей прочности картона имеет значение сила сцепления, которая возникает между отдельными слоями многослойных картонов, изготовленных на многоцилиндровых машинах. На цилиндровых машинах масса, поступающая в ванны для наружных слоев картона, обычно совершенно отлична от массы, поступающей в ванны для внутренних слоев. Так как по составу и свойствам покровные слои отличаются от внутренних, то возникает задача сцепления разных по характеру волокнистых масс.

Браун установил, что факторы, влияющие на сцепление между слоями многослойного картона, в значительной степени аналогичны тем, которые участвуют в сцеплении волокон в листе бумаги. Последние уже описаны, но необходимо отметить, что степень размола является единственным наиболее важным фактором, ввиду влияния его на усиление оводнения и фибриллирования, а следовательно, на площадь контакта между слоями.

При усилении размола прочность многослойного картона возрастает, так как слои получаются более однородными. Однако при изготовлении многослойных картонов возникают известные осложнения, так как не должно быть большого различия в степени размола массы смежных слоев. Установлено, что различие в садкости массы в соседних слоях, не превосходящее 125 см3 по канадскому стандартному методу, при отливе не создает затруднений. Другим важным фактором, влияющим на сцепление, является количество воды, попадающее в пространство между слоями; чем больше количество воды в этом месте, тем свободнее перемещаются волокна и тем непрерывнее они переплетаются между этими слоями. Мокрое прессование усиливает сцепление, однако каландрирование уменьшает его. Слишком быстрая сушка может также ослабить сцепление в связи с образованием пара между слоями.

На некоторых фабриках пытались впрыскивать между слоями картона цементирующие вещества. К числу таких веществ относятся смолы, крахмал и крахмально-смоляные препараты. Подобные добавки повышают прочность картона и увеличивают его жесткость, но такие попытки пока не имели большого успеха. Однако прибавление крахмала к массе в роллы полезно для увеличения сильг сцепления между слоями. Производственными опытами было установлено, что прибавление 4% сваренного окисленного крахмала наружный слои массы мелованного картона привело к увеличению пластичности с 14 до 18 единиц (испытание проводилось на аппарате Деннисона для определения пластичности воска). Это увеличение было вызвано возрастанием силы сцепления между наружными и внутренними слоями картона. Существует специальный сорт цилиндрового картона (называемый картоном КВ), который между двумя волокнистыми слоями содержит слой асфальта. При изготовлении этого картона эмульсия асфальта наносится на частично сформованный между двумя цилиндрами лист при помощи специального вала. Добавление асфальта увеличивает влагостойкость картонов..

Как видно из сказанного, проблема получения хорошего сцепления слоев несходных масс в многослойном картоне сложнее проблемы сцепления волокон в однородном листе. Этим объясняется всегда меньшая прочность многослойного картона по сравнению с картоном такой же толщины, изготовленным на длинносеточной машине в виде однородного листа. По этой же причине картоны, выработанные на длинносеточной машине, или однослойные картоны следует применять.в тех случаях, когда может возникнуть опасность скольжения. Имеется, однако, много случаев, для которых многослойные картоны вполне пригодны; некоторые виды таких картонов описаны ниже.

Макулатурный картон — вид картона, изготовляемого на цилиндрической картоноделательной машине. Все слои этого картона обычно содержат одну и ту же массу —- макулатурную. Толщина картона колеблется в широких пределах. Выпускаются как гибкие, так и негибкие виды картона.

Переплетный и макулатурный бристольские картоны. Переплетные бристольские картоны, называемые так в отличие от бристольских картонов, изготовляемых на длийносетчатой машине, применяются большей частью для игральных карт и объявлений. Макулатурные бристольские картоны применяются для дешевых карт и билетов. Они обычно изготовляются из макулатуры, использованных бланков, старых газет или старой крафт-бумаги.

Картон для штампованных коробок. Если необходима гибкость, как например, в штампованных коробочных картонах, наружные слои должны изготовляться из длинноволокнистой массы типа беленой сульфитной или беленой сульфатной целлюлозы. Для получения нужной прочности на изгиб и ослабления ворсистости масса должна подвергаться умеренному размолу; в целях обеспечения соответствующей гибкости массы для наружных слоев размол в жордане должен быть минимальным. Однако масса средних слоев, которую обычно получают из макулатуры, чаще всего подвергается сильному размолу в жордане для того, чтобы разбить все кусочки или посторонние материалы, которые могли пройти неповрежденными через разбивной ролл.

Патентованные мелованные картоны. Следующий очень важный сорт известен как патентованный мелованный картон. Этот картон в непокрытом виде применяется для изготовления штампованных коробок с печатными надписями. Верхний слой картона изготовляют из прочной белой массы, которая должна обладать хорошими печатными свойствами, высокой гибкостью и приятным цветом.

Тарный картон. Средние слои этого картона изготовляют из макулатуры, наружные слои — обычно из крафт-целлюлозы или из смеси крафт-целлюлозы с крафт-целлюлозной макулатурой. Если применяется крафт-целлюлоза, картон иногда называют картоном с джутовыми покровными слоями. Этот картон подвергается сухой или влажной отделке и иногда проклеивается на каландрах крахмалом, карбоксиметилцеллюлозой и т. д. Многослойный крафт-картон, подобно джутовому, содержит во всех слоях крафт-целлю-лозу. Оба описанных вида картона изготовляют стандартной толщины в 12, 16 или 30 пунктов.

Твердый коробочный картон. Этот картон отличается от гибкого картона для штампованных коробок отсутствием гибкости. Поэтому его обычно изготовляют из коротковолокнистых масс, например древесной массы, соломы или смешанной макулатуры. Для улучшения внешнего вида наружные слои в некоторых случаях делают из беленой массы.

Другие виды картона. К другим видам картона, изготовляемым на круглосеточных машинах, относятся: прачечный картон, картон для календарей (обычно патентованный мелованный картон или картон, покрытый каолином), картон для бисквитных коробок (обычно картон с джутовыми покровными слоями), картон для бутылочных колпачков (обычно разнослойный с верхним слоем из сульфитной целлюлозы), картон для спичечных книжек (разнослойный картон с верхним слоем из беленой манильской пеньки или белого патентованного мелованного картона). В колпачковом картоне для молочных бутылок желательно, чтобы два соседних слоя были слабо сцеплены между собой. Это позволяет при открывании бутылки легко поднимать язычок, прикрепленный к колпачку. Ослабление сцепления слогв достигается введением восковой эмульсии на один из слоев, по которому должно происходить расслоение картона.

Двухслойная бумага. Двухслойная бумага вырабатывается на двухцилиндровой машине или на комбинированной круглосеточной и длинносеточной машине. Двухслойную бумагу применяют для мешков (например для муки). Эти мешки состоят из наружного белого слоя и внутреннего — темно-синего. Раньше внутренний слой этого картона вырабатывали из массы, приготовленной из обрывков канатов, а наружный слой — из смеси канатной полумассы с сульфитной целлюлозой. Так как массу из канатов обычно приготовляют более садкой, чем массу для наружного слоя, то при опытных выработках часто наблюдались значительные затруднения

обеспечении надлежащего сцепления слоев. Поэтому влажность В месте наложения одного слоя на другой должна была быть очень высокой, а сила прессования во избежание раздавливания должна была возрастать постепенно.

Подкладочные слои картона. Во всех описанных выше видах картона, слой, лежащий под покровным слоем, можно изготовлять из массы, отличающейся от массы всех других слоев. Этим достигается улучшение чистоты, цвета и структуры картона, что в свою очередь улучшает печатные свойства поверхности картона. Подкладочный слой закрывает внутренний темный слой и создает лучшую основу для покровного слоя. Для покровного слоя обычно применяется масса из газетной макулатуры. Изготовленный таким образом картон имеет, как говорят, «газетную подкладку».


Реклама:



Читать далее:



Статьи по теме:


Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум