Pereosnastka.ru

Размол является очень важным фактором, определяющим силу сцепления волокон в бумажном листе. Следовательно, это — одна из наиболее ответственных производственных операций, от которой зависят бумагообразующие свойства данной массы. В этой главе размол рассматривается как в отношении его влияния на свойства массы, так и в отношении влияния свойств массы на скорость размола. Зависимость между свойствами размалываемой массы и силами сцепления волокон в бумажном листе рассматривается в следующей главе.

В бумажном производстве ролл издавна применяется в качестве типовой размалывающей машины, поэтому воздействие размола на волокно рассматривается применительно к работе ролла. Однако общие представления по этому вопросу, поскольку они касаются сущности процесса размола, в одинаковой степени относятся ко всей размольной аппаратуре.

Влияние размола на свойства бумаги

Глава о размоле была бы неполной без упоминания о влиянии размола на свойства готовой бумаги. Размол, улучшая одни свойства бумаги, ухудшает другие. Таким образом, для того чтобы при

дать массе определенные свойства без большого ухудшения других ее свойств, рольщик должен подбирать надлежащие условия размола. Размол должен производиться так, чтобы не происходило чрезмерного улучшения одних свойств за счет ухудшения других.

В производственных условиях увеличение размола массы обычно приводит к увеличению сопротивления продавливанию, прочности на разрыв и сопротивления излому, но при этом уменьшается сопротивление раздиранию. Сильный размол способствует увеличению гладкости и твердости бумаги и усиливает поверхностное сцепление волокон, но вместе с тем уменьшает непрозрачность, а также пухлость бумаги и усиливает способность ее к деформации.

Образец хлопковой полумассы, подвергнутый варке в течение 8 часов с 3% едкого натра, размалывался в течение различных периодов времени.

Теории размола

Для объяснения явлений, происходящих при размоле целлюлозных волокон, были предложены три основные теории:
1) химическая теория, названная так ранними исследователями (Кроссом и Бивеном, а также Швальбе); 2) физическая теория, предложенная в 1926 г. Джемсом Стреченом, теория частичной растворимости, предложенная в 1932 г. Кэмпбеллом. После того как были предложены эти теории, появилось много других, подобных указанным, с различными видоизменениями и дополнениями к ним. Принципиально важными являются взгляды Кларка и Коттролла. Различия между взглядами на размол Кларка, Кэмпбелла и Стречена будут приведены в последующих разделах, посвященных гидратации и фибриллированию. Эти взгляды рассматриваются более подробно в следующей главе о связи волокон.

Ранняя, химическая теория размола фактически полностью отвергнута: теперь уже общепринято, что при размоле в ролле вода с целлюлозой химически не соединяется и никакой истинной гидратации не происходит. Поэтому применение термина «гидратация» прц описании процесса размола неправильно. Размол является главным образом механическим процессом, вызывающим физические изменения волокнистой структуры и коллоидных свойств целлюлозы. Никаких существенных химических изменений при размоле не происходит; в результате большого увеличения поверхностной активности волокон и других изменений их физических свойств могут иметь место лишь второстепенные химические изменения. Кресс и Бьялковский установили, что содержание альфа-целлюлозы, медное число и растворимость в щелочи при размоле небеленой митчерлиховской сульфитной целлюлозы практически не изменяются; медно-аммиачная же вязкость уменьшается и скорость гидролиза волокон в кислоте увеличивается. Увеличение гидролизного числа и уменьшение медно-аммиачной вязкости являются, вероятно, результатом не химического, а физического изменения, так как вследствие увеличивающейся при размоле поверхностной активности целлюлоза становится более чувствительной к химическим воздействиям. Куррен с сотрудниками установил, что при размоле в течение 7 часов растворимость сульфитной целлюлозы в 1%-ном растворе щелочи увеличилась с 4,5 до 5,8%, что, по их мнению, обусловлено некоторым увеличением активной поверхности целлюлозы. Некоторыми исследователями была выдвинута теория, согласно которой в процессе размола часть боковых связей между целлюлозными цепями и мицеллами разрывается. Это, однако, маловероятно.

Набухание целлюлозных волокон

Прежде чем осветить другие виды воздействия, оказываемого на целлюлозу размолом, желательно рассмотреть вопрос о набухании волокна, так как размол непосредственно связан с этим важным явлением. В зависимости от типа волокна сухие Еолокна значительно различаются по жесткости, но все они обладают известной хрупкостью. Волокна же, смоченные водой, очень гибки. Впитывая воду и набухая, они становятся мягкими и податливыми; при этом эластичность и пластичность их увеличиваются, а жесткость уменьшается. Увеличение гибкости способствует предохранению волокна от сильного разрушения при размоле, которое наступило бы п,ги ненабухшем волокне. Кроме того, повышение пластичнссти волокон способствует их фибриллированию, вследствие чего уЕели-чивается площадь сцепления в листе, а следовательно, возрастает плотность и прочность готовой бумаги. Стречен сообщает, что диаметр некоторых набухших волокон при размоле может увеличиться в два раза. Большинство волокон набухает достаточно быстро. Однако при продолжительном увлажнении волокна набухают несколько иначе, чем при увлажнении их в течение лишь нескольких минут. Продолжительность смачивания имеет важное значение во многих случаях, когда под влиянием насыщения волокна водой форма его изменяется и становится цилиндрической вместо лентовидной. Для получения жирного помола необходимо производить медленное размалывание; при этом оказывается достаточно времени для проникновения воды в волокно и придания ему пластичности. С другой стороны, для получения садкой массы рольный барабан быстро присаживают на планку; при этом рубка волокон происходит прежде, чем они сильно набухнут, т. е. пока волокна еще хрупки и легко рубятся. Набуханию волокон в воде благоприятствует низкая температура.

Как правило, целлюлозные волокна после легкого рафинирования становятся очень гибкими, но это в некоторой степени зависит от типа волокон; так, сильно лигнифицированные волокна менее гибки, чем беленые. В одном и том же образце древесной целлюлозы летние волокна менее гибки, чем весенние. При высоком содержании пентозанов гибкость влажных волокон увеличивается, так как пентозаны набухают в воде больше, чем целлюлоза (хотя после высушивания эти волокна, наоборот, становятся более жесткими). В лиственной целлюлозе этой зависимости нет. Результаты работы Робертсона и Мэсона свидетельствуют о наличии зависимости между набуханием целлюлозы при размоле и прочностью бумаги. При размоле волокна древесной массы сохраняют свою жесткость дольше, чем большинство других волокон, так как они содержат большое количество лигнина, и, следовательно, сильный размол связан с чрезмерным их разрушением.

Насыщение целлюлозных волокон водой происходит вследствие поглощения ее порами, а также в результате капиллярный абсорбции. Вода, поглощенная порами, заполняет все пустоты в волокне, отверстия в стенках, поры, канал, однако простое заполнение этих пустот водой не вызывает изменения размеров волокна. Несколько иное явление происходит, когда вода входит в субмикроскопические поры волокна, где процессы впитывания и набухания частично совпадают. В этом случае абсорбция воды способствует разрыхлению фибрилл, облегчая их последующее разделение при размоле. При набухании волокна раскрывается больше пустот и в них проникает дополнительное количество воды. Однако набухание истинна кристаллических областей целлюлозы не происходит, так как вода не способна вызвать достаточно сильное набухание, чтобы проникнуть в кристаллиты целлюлозы.

Способность целлюлозных волокон к набуханию объясняется наличием в них гидроксильных групп; без этих полярных групп они не могли бы набухать в полярных жидкостях. Кресс и Бьялковский измерили степень набухания целлюлозных волокон в различных жидкостях и установили, что такие высокополярные жидкости, как вода, формамид, этиленгликоль, вызывают значительное набухание, тогда как неполярные жидкости могут вызвать лишь очень небольшое набухание. Так, например, вода и этиленгликоль увеличивают объем волокон на 90%, формамид — на 125%, тогда как п-пропилалкоголь — только на 6%, а нефть — на 2%. Способность спиртов вызывать набухание волокон уменьшается по мере увеличения длины углеводородной цепи. Разъединению фибрилл при размоле способствуют только те жидкости, которые могут вызывать сильное набухание целлюлозы.

Влияние размола на первичную стенку

Наружный покров природного волокна представляет собой слой, называемый первичной стенкой. Этот слой, проницаемый Для воды, сам в ней заметно не набухает, что затрудняет набухание волокон и мешает связи их между собой. В большинстве случаев первичная стенка частично удаляется с волокна до поступления целлюлозы на бумажную фабрику, так как процессы варки, отбелки и промывки способствуют ее удалению. Первичная стенка может еще оставаться на волокнах у новых небеленых хлопчатобумажных обрезков. Обычно же эта стенка в достаточной степени удалена, так как большинство тряпичных полумасс подвергается отбелке до поступления в переработку на бумагу.

В некоторых случаях делигнифицированные древесные волокна, имеющие все свойства легкоразмалывающейся целлюлозы (низкое содержание лигнина и высокое содержание гемицеллюлозы), размалываются медленно из-за сопротивления размолу прочного наружного слоя волокна. Многие химики считают, что в товарной целлюлозе, не подвергнутой сильному размолу, первичная стенка сохраняется в таком состоянии, что это препятствует максимальному сцеплению волокон в листе бумаги. При размоле все сохранившиеся части этой стенки разрушаются и стираются, обнажая, таким образом, вторичную стенку, которая набухает очень сильно. Значительное возрастание прочности бумажного листа, обычно на ранней стадии размола, может объясняться удалением первичной стенки. После удаления этой стенки вторичная стенка больше не стягивается; начальный диаметр ее вследствие набухания может увеличиться в два-три раза.

Гидратация целлюлозы

В химии гидратной называется вода, которая в определенных молекулярных соотношениях соединяется с каким-либо веществом, образуя часть его структуры. Гидратная вода может быть удалена путем изменения температуры, а также упругости паров данного соединения и окружающей среды. Кривая упругости паров имеет определенный перелом, который соответствует изменению физических свойств материала после удаления воды. Термин «гидратная вода» иногда применяют по отношению к воде, удерживаемой в виде ионов на границе раздела двух фаз. Однако это — не истинно гидратная вода, так как количество связанной таким образом воды непрерывно изменяется по мере изменения температуры и других условий; кроме того, эта вода не обладает свойствами воды, содержащейся в кристаллогидратах. Вода, удерживаемая капиллярной конденсацией, также не является истинно гидратной, несмотря на то, что она прочно связана, так как эта вода не влияет на химические свойства вещества, с которым соединяется.

Целлюлоза, вероятно, не содержит истинной гидратной воды, даже несмотря на прочное удержание ею молекул воды. В настоящее время большинство химиков отказалось от представления о воде, удерживаемой целлюлозой, как о части целлюлозной кристаллической структуры; по их мнению, гидроксильные группы удерживают воду на поверхности кристаллитов целлюлозы особым видом вторичных валентных сил. Действительно, эта вода удерживается настолько ппочно что возникает объемное сжатие молекул, но она находится между кристаллитами целлюлозы, а не внутри их. Только в этом явлении и заключается смысл гидратации целлюлозы.

Несмотря на то, что целлюлоза не образует действительного гидрата, существует тесная связь между изготовлением бумаги и тем, что высокоразмолотая целлюлоза «связывает» больше воды, чем неразмолотая, и что часть этой воды прочно удерживается волокнами. Однако эта вода рассматривается большинством химиков как физически удерживаемая вода, а не гидратная. Эту точку зрения убедительно подтвердил Белл. Он показал, что количество воды, которое удерживается целлюлозой разной продолжительности размола, заметно не изменяется, если равновесное состояние целлюлозы наступает под давлением. Однако это равновесное состояние наступает после очень продолжительного воздействия давления. Например, равновесное состояние высоко-разМолотой целлюлозы наступает после 14 дней при давлении 12,69 кг/см2 или, по данным Джэна и его сотрудников, после 4 часов при давлении 190,4 кг/см2. Джэн и сотрудники установили, что характерным показателем изменений при размоле является количество воды, которое удерживается приготовленной на лис-тоотливном аппарате бумагой непосредственно после отсоса и без последующего прессования.

Вопрос о соотношении «целлюлоза—вода» в процессе размола был особенно подробно рассмотрен в работах Кэмпбелла с сотрудниками. Их работы показали, что размол вызывает относительно небольшое изменение в количестве воды, адсорбированной на поверхности кристаллитов целлюлозы. Это заключение логично, так как теперь известно, что внутренняя поверхность кристаллитов целлюлозы, даже в неразмолотой целлюлозе, легко доступна молекулам воды. Следовательно,, количество адсорбированной воды может увеличиться лишь при условии разрыва кристаллита, что в процессе размола в заметной степени не наблюдается. Иными словами, волокна достигают равновесного содержания влаги после относительно короткого периода замачивания, и никакой дальнейшей гидратации не происходит. При выполнении своих работ Кэмпбелл и сотрудники провели серию определений упругости паров воды в неразмолотой целлюлозе при различном содержании влаги. Они установили непрерывность сорбционных изотерм и небольшое увеличение количества адсорбированной воды в размолотых целлюлозах (отношение 1,05 : 1,00 для размолотой и неразмолотой целлюлозы). Отсюда они заключили, что эффект размола является чисто физическим. Зеборг, Симондс и Бэрд , проведя также серию опытов по сорбции, установили, что очень сильно размолотые целлюлозы в зависимости от относительной влажности воздуха собирают на 0,2—3,5% больше влаги, чем неразмолотые. Они приписали это небольшому увеличению числа свободных гидроксильных групп, которые становятся способ-ыми к адсорбции водяных паров. Согласно данным Агью и Мааса, при нагревании после размола оводнение целлюлозы увеличилось на 2—10%. Этот результат они объяснили некоторым увеличением внутренней поверхности волокон. Исходя из понижения точки замерзания, Мак-Грегор установил, что вся вода в системе целлюлоза—вода находится в «свободном» состоянии и не связана с целлюлозой.

В настоящее время считают, что изменения, происходящие в процессе размола, не обусловлены истинно-химической гидратацией или капиллярным впитыванием воды, а является результатом сочетания ряда физических изменений, которые следует назвать «бумагоделательной гидратацией». Таким образом, применение термина «гидратация» в том понимании, в каком он употребляется в бумажном производстве, не соответствует действительности, и этот термин следует заменить более правильным обозначением. Многие химики избегают термина «гидратация», предпочитая более правильный термин «оводнение». В общем смысле целлюлоза является полностью гидратированной и в неразмоло-том состоянии. Однако размол повышает оводнение, т. е. способность волокон удерживать воду, что замедляет скорость обезвоживания массы на сетке бумагоделательной машины. Степень оводнения, которая увеличивается при размоле, является очень важным фактором, определяющим свойства готовой бумаги; она влияет на количество связей между волокнами и, следовательно, на сопротивление бумаги продавливанию и разрыву, а также на жесткость, пористость, непрозрачность и т. д.

Фибриллирование

Одним из важных последствий размола является расчесывание, или фибриллирование, волокон. В 1926 г. Стречен подверг критике химическую теорию размола и заложил основы современной теории фибриллирования. По Стречену, так называемая гидратация при размоле в действительности является фибриллированием поверхности волокон, при котором увеличивается удельная поверхность и количество поглощенной воды.

Прежде чем объяснить. явление фибриллирования, необходимо разобраться в структуре целлюлозных волокон. Здесь достаточно напомнить, что волокна состоят из индивидуальных целлюлозных молекул, соединяющихся в кристаллиты, которые в свою очередь группируются в нитевидные фибриллы. Фибриллы представляют собой относительно грубые морфологические элементы, ясно видимые в электронный микроскоп, а также различимые под оптическим микроскопом, если их посеребрить особым способом. Большинством химиков также признано существование еще более мелких структурных элементов, называемых субфибриллами или фибриллками, состоящих из тонких кристаллитов или индивидуальных целлюлозных молекул. Фибриллки большей частью видимы в электронный микроскоп, хотя по размерам они, вероятно, находятся на пределе видимости.

Фибриллирование заключается в разрыхлении грубых фибрилл и «начесе» тонких фибриллок на поверхности фибрилл. Стречен первоначально рассматривал процесс размола как образование тонкого ворса или фибриллок на поверхности волокон, отчасти аналогичных ворсу на бархате, причем считал, что это действие в значительной степени происходит только на поверхности волокон, где оно создает огромное увеличение наружной удельной поверхности за счет образования этого тонкого пухоподобного материала. При размоле происходит увеличение наружной поверхности волокон за счет уменьшения внутренней, а общая поверхность волокон остается неизменной.

Важность фибриллирования признается теперь большинством химиков, но по поводу величины образующихся фибрилл имеются значительные разногласия. При исследовании поверхности неразмолотых волокон Стречен наблюдал под обычным микроскопом фибриллы и предположил, что они состоят из пучков микрофибрилл диаметром около 0,2. На электронных микрофотографиях позитивных реплик обычной бумаги при увеличении в 6200 раз обнаружены фибриллы шириной 0,05 ¡х и даже меньше. Пользуясь электронным микроскопом, Сёрз наблюдал присутствие очень тонких фибрилл, ширина которых, по его предположению, от 50 до 100 А и что эти мицеллы в свою очередь, вероятно, покрыты еще более тонким пухом молекулярной величины. Он предполагает, что при сушке тонкий пух прилипает к волокну и вновь уже не оводняется, если целлюлозу не подвергнуть повторному размолу.

Согласно теории фибриллирования явления, происходящие при размоле, могут быть примерно представлены следующим образом. Волокна сперва поглощают воду и набухают, что приводит к ослаблению когезионных сил. В этом набухшем состоянии они мало прочны и очень мягки и пластичны, так что механическое воздействие ролла приводит к разрыхлению индивидуальных фибрилл. В то же время на поверхности фибрилл происходит «начес» тонкого пухоподобного материала, состоящего из отдельных целлюлозных молекул или мелких кристаллитов. При разрыхлении фибрилл внутри волокон (внутреннее фибриллирование) гибкость волокон увеличивается, так что в процессе формования бумаги они могут быть легче спрессованы между собой, а «начес» фибриллок на поверхности волокна (наружное фибриллирование) увеличивает общую поверхность, способную к контакту. Таким образом, внутреннее и наружное фибриллирование приводит к увеличению огромной степени внешней удельной поверхности волокна и количества воды, которое удерживается в сетке волокна. При формировании волокон в бумагу фибриллки и более мелкие частицы переплетаются, в результате чего образуется очень прочный и плотный лист. Фибриллки способствуют также удержанию наполнителей в бумаге, уменьшая поры во влажном волокнистом материале, что приводит к улавливанию мелких частиц.

В обычных условиях бумажного производства получение прочной бумаги возможно только путем фибриллирования. Отдельные химики высказывают мнение, что в некоторых случаях наибольшее увеличение прочности бумаги при размоле происходит до начала фибриллирования, однако при этом фактически подразумевают только грубое фибриллирование, хорошо видимое под микроскопом, но не учитывают субмикроскопическое образование фибриллок, которые создают указанный эффект. Работа Доугти, показывает, что для развития поверхностных эффектов, обеспечивающих хорошее сцепление волокон, необходим очень небольшой размол, но в этом случае при формовании бумаги требуется, как уже отмечалось, очень высокое давление по сравнению с давлением, необходимым при применении целлюлозы с высокой степенью помола. Более того, даже при незначительном размоле, который применялся в опытах Доугти, на поверхности волокон, вероятно, появлялся некоторый начес фибриллок.

Фибриллирование является результатом механического давления на волокна, создаваемого рольным барабаном. Для объяснения явления фибриллирования Стречен выдвинул электронную теорию, согласно которой смещение каждой фибриллы на поверхности волокна требует определенной затраты энергии; количество этой энергии зависит от величины силы, связывающей кристаллиты целлюлозы. При размоле можно изменять характер фибриллирования. Продолжительный легкий размол благоприятствует поверхностному фибриллированию, которое обеспечивает получение прочных непрозрачных бумаг. Сильный размол способствует внутреннему фибриллированию, при котором получаются прочные, относительно прозрачные бумаги. Таким образом, тип рафинирующего оборудования имеет важное значение; например, при обработке в камневой мельнице волокна фибриллируются сильнее, чем при обработке в ролле.

Характер и степень фибриллирования различных видов целлюлозы при размоле различны. Например, при наблюдении под обычным оптическим микроскопом волокон джута фибриллирования не обнаруживается, однако это не означает отсутствие всякого фибриллирования, так как возможно еще фибриллирование субмикроскопическое. Льняные и пеньковые волокна при надлежащем размоле расщепляются по длине и образуют массу, состоящую из тонких нитевидных фибрилл, тогда как хлопковые штапельные волокна распадаются по спирали. Наблюдение этих явлений под оптическим микроскопом в большинстве случаев ограничено его возможностями; с помощью же электронного микроскопа можно произвести более широкие наблюдения.

При наблюдении под оптическим микроскопом без серебрения недостаточно хорошо размолотых волокон на них часто обнаруживается лишь незначительное фибриллирование. Однако даже при отсутствии видимого фибриллирования Зейфриц и Гук посредством микроанатомирования показали, что вследствие внутреннего фибриллирования размолотые волокна легче разделяются на фибриллы, чем неразмолотые. При фибриллировании древесных волокон наружный слой волокна снимается по спирали, тогда как внутренние слои расщепляются в продольном напра-нпении. Степень фибриллирования древесных волокон неодина-

Разрезание волокон

Ролл производит и другое воздействие на волокна — разрезание их на более короткие отрезки. Следовательно, процесс размола может рассматриваться как средство уменьшения средней величины целлюлозных волокон не только в результате фибриллирования, но также и разрезания. Сутермейстер признает лличие двух типов разрезания волокон: разрезание, обусловленное режущим действием ножей барабана и планки, и разрезание одного волокна другим под влиянием высокого давления на массу высокой концентрации.

Насколько желательно фибриллирование, настолько обычно нежелательно разрезание, так, как укорачивать длинноволокнистую массу путем размола или рафинирования неэкономично. Однако в некоторых случаях укорачивание волокна необходимо, например при применении тряпичной полумассы, которая обычно режется для уменьшения средней длины волокна и обеспечения более однородного формования на бумагоделательной машине. При размоле тряпичной полумассы для бюварной, фильтровальной, чертежной и ряда других бумаг массу обычно сперва размалывают при слабой присадке барабана до тех пор, пока вся ткань не расплетется и нить не раскрутится, а затем полностью опускают барабан на планку для осуществления рубки. Для изготовления некоторых сортов бумаги необходима коротковолокнистая садкая масса, дающая пухлую бумагу с ровной поверхностью.

Некоторого укорачивания требует иногда длинноволокнистая целлюлоза из хвойной древесины; целлюлозы из лиственной древесины редко нуждаются в этом, так как длина их волокон составляет всего около одной трети длины волокон целлюлозы из ели или гемлока.

При размоле целлюлозы сопротивление бумаги продавливанию возрастает по мере увеличения степени помола до определенного, очень высокого, значения, но при дальнейшем размоле волокна становятся настолько короткими и раздавленными, что никакого повышения прочности при этом не происходит. Таким образом, на определенной стадии размола рост сопротивления продавливанию, обусловленный фибриллированием и «оводнением», начинает замедляться вследствие появления все более и более коротких волокон и обрывкой волокон; с этого момента сопротивление продавливанию начинает уменьшаться. Сопротивление раздиранию обычно начинает уменьшаться на очень ранней стадии размола, отчасти вследствие укорачивания волокон, хотя при этом сказывается влияние и других факторов. При очень сильном размоле волокна полностью разрушаются.

Степень разрезания волокон может легко регулироваться. Волокна разрезаются легко, так как большинство из них проходит в ролле поперек кромок ножей, располагаясь, таким образом, в наиболее благоприятном положении для разрезания . Этому разрезанию способствуют некоторые условия, как например, низкая концентрация массы, высокое давление между барабаном и планкой, острые ножи и низко подрезанные деревянные прокладки в планке. Кроме того,, «оводнению», или фибриллированию, благоприятствует продолжительный размол, низкое давление, тупые ножи и высокая концентрация массы (5—7%). В основном легче разрезаются более жесткие и хрупкие волокна, вследствие чего

резание происходит на ранней стадии размола, прежде чем волокна размягчатся вследствие абсорбции воды и фибриллиропования. Легкость разрезания различных целлюлоз в роллах различна. Так, например, Коттролл установил, что целлюлозы с высоким содержанием альфа-целлюлозы разрезаются легче целлюлоз с высоким содержанием гамма-геллюлозы. Натронная целлюлоза разрезается значительно легче, чем высокопрочная сульфатная.

Очень важным фактором является также тип размалывающей аппаратуры. В жорданах разрезание происходит более интенсивно, чем в большинстве роллов, и, следовательно, получается бумага с более низким сопротивлением раздиранию. Однако отдельные ученые утверждают, что некоторые рафинеры истирающего действия меньше укорачивают волокна, чем роллы, и бумага в этом случае обладает высоким сопротивлением раздиранию при том же сопротивлении продавливанию.

Помимо фибриллирования и разрезания, при размоле происходит разрушение волокон на мелкие частицы-обрывки вследствие отделения фибриллированного материала от поверхности волокон. Таким образом, при оазмоле сперва увеличивается «начес» фиб-риллок на поверхности волокон, а затем отделяется от волокон некоторое количество материала в коллоидном виде. Наличие этих волокнистых обрывков очень важно, так как они заполняют пустоты между волокнами и увеличивают плотность, жесткость и звонкость бумаги. Как показали опыты Кларка, при ручном отливе из грубой суспензии обрывков волокна, полученной при размоле целлюлозы в коллоидной мельнице и прибавленной к обычной целлюлозе, увеличиваются плотность и прочность получаемой бумаги. Обрывки волокон способствуют получению массы большей жирнрсти; это может быть подтверждено путем удаления большей части обрывков волокна из хорошо размолотой массы промыванием на сите в 150 меш. Садкость массы, удержанной на сите, будет значительно больше садкости исходной массы.

Садкость

Для определения садкости служит прибор, которым технологи бумажники обычно пользуются для определения степени помола. Величина садкости характеризуется легкостью,, с которой вода проходит через волокна, когда они начинают формоваться во влажный лист на перфорированной пластине испытательного аппарата. Поэтому садкость является мерой скорости обезвоживания массы. Садкая масса обезвоживается легко, тогда как жирная масса отдает воду медленно.

Прибор для определения садкости состоит из:
1) верхнего сосуда емкостью в 1 литр с днищем в виде перфорированной пластины, клапаном для закрывания днища и шарнирной крыш-кои с кРаном для пропуска воздуха;
) нижней части в виде воронки, которая имеет стандартные отверстия: одно — внизу, другое, для перелива, — сбоку. Вода, отделяющаяся из массы в верхнем сосуде, проходит в воронку и вытекает через отверстие в днище, причем скорость ее вытекания зависит от размера отверстия и скорости отделения воды из массы. Если вода поступает в воронку со скоростью, большей скорости прохождения ее через нижнее отверстие, излишек воды вытекает через боковое переливное отверстие и собирается в градуированный цилиндр. Объем воды, вытекающей из бокового отверстия, зависит от скорости, с какой вода отделяется из массной суспензии. Этот объем, выраженный в кубических сантиметрах, обозначает садкость массы. Определение садкости по стандартному канадскому методу производят согласно стандарту при температуре 20° и концентрации массы 0,3°о.

Результаты испытаний, полученные при других условиях, при помощи переводных таблиц могут быть приведены к показателям, соответствующим стандартным условиям. Результаты определения садкости зависят от температуры, концентрации массы и’ степени помола. Определение садкости массы лучше производить, пользуясь пробами влажной массы. В некоторых случаях садкость может определяться по пробам из готовой бумаги и сухой целлюлозы. В этих случаях проба сперва разбивается в воде на волокна. Однако такие пробы дают более низкие значения садкости, чем пробы массы, не подвергавшейся высушиванию, вследствие чего эти данные непоказательны.

По мере повышения степени помола садкость уменьшается; поэтому определение садкости используют для контроля и определения результатов размола. Для большинства видов целлюлозы при увеличении продолжительности размола садкость убывает по Б-образной кривой. Исключение представляют соломы злаков, садкость массы которых по мере увеличения продолжительности размола уменьшается медленно, почти по прямой линии.

Для определения садкости массы могут быть использованы различные методы. Примерные соотношения между показателями садкости при различных методах их определения приведены на номограмме. Данные номограммы могут служить лишь для приближенного сравнения. Точные переводные данные получить невозможно, так как два образца одной и той же массы при испытании на различных приборах иногда дают различные соотношения показателей садкости.

При отекании влажного листа на перфорированном днище прибора вода должна проходить через тонкие капиллярные каналы, образующиеся между волокнами. Кэмпбелл считает, что процесс отекания массы подчиняется закону капиллярного или вязкого течения, согласно которому сопротивление протеканию воды пропорционально длине капилляра и диаметру капилляра в четвертой степени. Поэтому величина садкости имеет сложное значение, так как зависит от «оводнения» массы, фибриллирования, длины и жесткости волокон, а также от их поверхности и строения волокнистого материала. Садкость показывает, как масса будет вести себя на бумагоделательной машине, но определенных представлений о других свойствах массы этот показатель не дает. Садкость также не указывает на различие между замедляемостью обезвоживания, обусловленной наличием в массе коротких волокон, и замедляемостью обезвоживания вследствие фибриллирования, так как в обоих случаях уменьшаются размеры каналов во влажном листе. Сутермейстер считает, что величина замед-ляемости обезвоживания для массы, состоящей из смеси длинных и коротких волокон, может в одинаковой степени определяться как укороченностью, так и гидратацией волокон, хотя другие авторы полагают, что длина волокон на садкость не влияет.

По величине садкости массы, ввиду неопределенности характера этого показателя, не всегда можно составить представление о прочности изготовляемой из этой массы бумаги. Например, Сутермейстер сообщает, что для крафт-целлюлозы, размолотой до одного и того же значения садкости, фактор сопротивления продавливанию колебался от 1,5 до 2,75. Для получения более полного представления о каком-либо образце массы в дополнение к определению садкости желательно произвести определение фракционного состава массы по длине волокон. При наличии этих двух показателей можно составить более точное представление о характере массы. Определение фракционного состава связано с затруднением, обусловленным тем, что фракционирование размолотых целлюлоз происходит не так легко, как неразмолотых. Для спределения жирности массы (замедляемости обезвоживания) как средства измерения степени ее оводнения предлагается обработка мгссы водой при кипении, так как такая обработка понижает или уничтожает разницу между двумя этими показателями; однако кипячение не снижает той замедляемости обезвоживанию массы, которая обусловливается длиной волокна . Сутермейстер сообщает, что натронные целлюлозы после кипячения сохраняют свою садкость на 80% или более. Это показывает, что замедляемость обезвоживания данных целлюлоз в наибольшей степени зависит от длины, а не от гидратации волокна. Компте установил, что при кипячении волокон ма-нильской пеньки их оводнение понизилось, но затем, после размешивания в течение 35 минут, полностью восстановилось.

Влияние размола на удельную поверхность волокон

Как уже отмечалось, размол разрыхляет фибриллы и фибриллки, увеличивая этим внешнюю поверхность волокон. Для определения поверхности, создаваемой размолом, и общей поверхности, способствующей сцеплению волокон, необходим соответствующий метод. Наиболее широко применяется метод Кларка, который заключается в том, что волокна кипятят в аммиачном растворе азотнокислого серебра. При этом серебро осаждается на поверхности волокна в виде тонкой пленки толщиной около 0,1 мм. Площадь образующейся пленки серебра измеряют путем каталитического разложения (под влиянием осевшего серебра), разбавленного раствора перекиси водорода при стандартных условиях» Этим путем измеряется только «внешняя», а не «внутренняя» поверхность волокон, так как отложения серебра закрывают доступ к. субмикроскопическим пространствам между кристаллитами целлюлозы. Размол увеличивает внешнюю удельную поверхность, измеряемую описанным методом, но пе увеличивает (а фактически уменьшает) внутреннюю поверхность волокон. Применяя метод серебрения, Кларк установил, что поверхность волокна увеличивается пропорционально логарифму степени помола.

Кроме метода серебрения, существуют и другие методы измерения удельной поверхности размолотых волокон: микроскопический, оптический и методы проницаемости. Последние основаны на сопротивлении однородного рыхлого слоя массы протеканию воды. Определение сопротивления обезвоживанию и определение садкости широко применяются в качестве грубых эмпирических методов для относительного измерения поверхности размолотых волокон, но для точных измерений удельной поверхности требуются более научные методы.

Графф и сотрудники, а также другие исследователи определили, что микроскопически видимая удельная поверхность неразмолотых древесных волокон колеблется в пределах примерна .5600 — 5300 см2/см3. Эти цифры несомненно занижены вследствие недостатков методов вычисления удельной поверхности на основании измеренных размеров волокон. Типовые значения, полуденные Кларком по методу серебрения, находятся в пределах примерно от 6400 см2/г для неразмолотой южной крафт-целлюлозы До 17200 см2/т для размолотой сульфитной целлюлозы западного обережья и до 31 000 см2/т для смеси древесной массы с хорошо Размолотой сульфитной целлюлозой. По методу проницаемости, снованному на уравнении Козени, Мэссон получил удельную оверхность волокон для небеленой сульфитной целлюлозы 16 200 см2/г и для той же целлюлозы, размолотой в течение 50 мин. в лабораторном ролле Вэлли, 100 500 см2/г. Кэмпбелл приводит величины, колеблющиеся от 12 960 см2/г для небеленой целлюлозы до 49 500 см2/г для беленой целлюлозы. Применив видоизмененный метод серебрения, Броун получи., удельную поверхность 9300 см2/г для неразмолотой беленой сульфитной целлюлозы (западного побережья) и 10 200 см2/г для того же образца целлюлозы после размола.

Влияние размола на адсорбционную способность

Так как размол относительно мало воздействует на внутреннюю поверхность волокна, он незначительно влияет или вовсе не влияет на сорбцию растворенных веществ, имеющих небольшие молекулы. Таким образом, размол в основном не вызывает каких-либо важных изменений в сорбции. Большинством исследователей установлено, что влияние размола на гигроскопические свойства целлюлозы незначительно. Как упоминалось раньше, Зеборг, Симондс и Бэрд при очень сильном размоле получили увеличение гигроскопичности па 6%. Однако это увеличение является сравнительно небольшим; оно может объясняться образованием небольшой новой поверхности, доступной молекулам воды.

Адсорбция красящих веществ при размоле заметно не увеличивается, хотя адсорбция прямых красителей несколько возрастает. Это может быть объяснено тем, что основные и кислотные красители имеют небольшие молекулы, которые легко проникают в тонкие поры целлюлозного волокна, независимо от того, размолоты или не размолоты волокна; молекулы же прямых красителей больше и они в большем количестве проникают в волокна при их разрыхлении. Известно, что размол вызывает предпочтительную адсорбцию некоторых основных красителей, и это явление используется для двухцветного окрашивания смесью красителей — прямого голубого и прямого оранжевого. При надлежащем применении этой смеси неразмолотые волокна окрашиваются почти в чисто голубой цвет, тогда как размолотая масса, фибриллы, обрывки волокон и мелочь, адсорбированные на поверхности волокон, окрашиваются в оранжевый цвет.

Имеются и другие доказательства увеличения реакционной способности волокон после размола. Стречен установил, что с увеличением размола адсорбция положительно заряженных ионов увеличивалась, следуя кривым типовых адсорбционных изо1ерм. В своих работах по щелочной очистке целлюлозы Меллер установил, что размол способствует лучшему проникновению щелочи внутрь волокна; это явление он объяснил увеличением «поверхности» волокон. Роулэнд сообщает, что размол в заметной степени увеличивает сродство целлюлозы к гидрату окиси алюминия Кресс и Бьялковский также установили, что по сравнению с неразмолотой размолотая целлюлоза адсорбирует из сернокислого глинозема в два раза больше окиси алюминия, хотя в обоих случаях общее количество адсорбированной окиси алюминия было небольшим (0,15 и 0,30% от воздушно-сухой целлюлозы). Результаты, получаемые при адсорбции ионов, объяснить трудно, но в случае применения окиси алюминия повышение адсорбции объясняется, вероятно, относительно большими размерами хлопьев окиси, препятствующими проникновению их в меньшие по размерам поры волокон до тех пор, пока эти поры не раскроются при размоле.

Менее важные воздействия размола

Кроме основных воздействий, рассмотренных в предыд>щих разделах, размол вызывает некоторые и другие, менее важные изменения волокна. Например, при размоле из волокна могут быть выдавлены смолы и примеси. Для большинства видов целлюлозы это несущественно, но это может быть важно для переваренной целлюлозы, где лучевые клетки, содержащие наибольшее количество смолы, крайне хрупки. Другое воздействие размола на некоторые виды целлюлозы (значительное — на сульфатные целлюлозы) заключается в возрастающем при размоле рН. Это увеличение обусловлено присутствием щелочи в волокнах вследствие несовершенной промывки их на целлюлозном заводе. Хэлл и Будсон пришли к заключению, что при сжатии волокон под действием ножей рольного барабана эта оставшаяся щелочь, выдавливается на их поверхность. Измерением потенциала протекания при размоле в течение 16 часов Канамару установил, что электрокинетический потенциал сульфитных волокон увеличивается с —12 до —18 милливольт.

Обработка целлюлозы в курлаторе

Интересным достижением в области конструирования оборудования для обработки волокон является изобретение курлатора. Эта машина оказывает особое воздействие на целлюлозные волокна, и результаты ее воздействия совершенно отличны от результатов воздействия другого оборудования для обработки волокон. Машина появилась совсем недавно и пока недостаточно испытана, но в литературе уже имеются предварительные сведения об ее работе.

Из напорного ящика подлежащая обработке целлюлоза поступает в центральную часть курлатора, оттуда направляется радиально к выходу, подвергаясь на этом пути обработке между неподвижной нижней и вращающейся верхней плитами. На периферии плит обработанная масса подхватывается вращающимся кольцом и удаляется из машины. Концентрация массы, поступающей в курлатор, составляет примерно 3—4%; под давлением плит масса обезвоживается до концентрации около 20%. Отходящая в процессе обработки вода используется для разбавления обработанной массы.

При обработке волокон в курлаторе отдельные волокна изгибаются, свертываются и скручиваются. Воздействие курлатора на волокна примерно такое же, как и воздействие перекатывания комочка высококонцентрированной массы между большим и указательным пальцами или перекатывания ладонью небольшой порции массы концентрацией около 20% на куске грубого полотна.

Обработка в курлаторе обычно приводит к повышению садкости, сопротивления раздиранию, растяжимости и пухлости (после отделения обрывков) и уменьшению сопротивления продавливанию и разрыву, а также жесткости бумаги. Воздействие курлатора совершенно отлично от воздействия ролла и во многих случаях прямо противоположно ему. Бумага, изготовленная из обработанной в курлаторе целлюлозы, мягче и обладает большей непрозрачностью и пористостью, чем бумага из целлюлозы, не обработанной в курлаторе. Понижение прочности на разрыв и продавливание и увеличение сопротивления раздиранию при применении целлюлозы, обработанной в курлаторе, обусловлено, вероятно, менее тесным контактом между волокнами вследствие увеличения числа изви-тостей, свертываний и скручиваний волокон. Этим может быть частично объяснена и повышенная пористость, которая является также и следствием того, что поперечное сечение волокон становится более округлым. Типичная матовость и непрозрачность бумаг из волокон, обработанных в курлаторе, связаны с большей искривленностью их, при которой повышается рассеивание света.

Результаты воздействия курлатора зависят от типа обрабатываемой массы. Например, неразмолотые целлюлозы не даюг такого уменьшения прочности на разрыв и продавливание и увеличения сопротивления раздиранию, как размолотые целлюлозы, потому что показатели размолотой целлюлозы уже близки к их крайним значениям.

Древесная масса поддается обработке в курлаторе труднее целлюлозы. Помимо указанной цели, курлатор можно использовать в качестве рафинирующего аппарата.

Читать далее:

Факторы, влияющие на размол

• Очистка воды
• Свойства воды
• Вода в бумажном производстве
• Биохимическое поглощение кислорода (бпк) фабричными сточными водами
• Микроорганизмы в неволокнистых материалах