Обработка, утилизация и использование бумаги и картона

Основные понятия и классификация.

Процессы обработки и переработки бумаги и картона имеют большую историческую давность. Еще при ручном способе производства бумаги, чтобы придать ей прочностные и водоотталкивающие свойства, применяли обработку ее различными органическими смолами.

мировой практике продукция обработки и переработки бумаги и картона составляет по тоннажу более половины, а по ассортименту - более 80% общего объема производства продукции целлюлозно-бумажной промышленности.

Обработка бумаги и картона проводится в целях направленногоулучшения их потребительских свойств при сохранении важнейших функциональных свойств и областей применения.

Переработка бумаги и картона осуществляется в целях полученияновых материалов с новым комплексом эксплуатационных свойств и самостоятельными областями применения.

результате процессов обработки и переработки целлюлозы, бумаги и картона получают целлюлозные композиционные материалы.

Композиционными называются материалы, состоящие из двух и болеекомпонентов, каждый из которых представляет собой самостоятельную фазу и выполняет в материале свои самостоятельные функции. Природа взаимодействия между компонентами может быть различна, но нарушение связи между ними вызывает резкое изменение всех свойств материала, приводит к нарушению композиционной устойчивости и, как правило, к резкому изменению всех свойств материала и изделий из него.

Композиционные материалы состоят из следующих основных компонентов:

- армирующего;

- связующего, создающего непрерывную матрицу;

- наполнителя;

- специальных модифицирующих добавок.

Целлюлозные композиционные материалы -это материалы, которыеполучаются путем сочетания целлюлозного компонента (целлюлоза, бумага, картон) с природными, искусственными или синтетическими полимерами. Целлюлозный компонент выполняет армирующие функции, причем армирующим элементом могут являться целлюлозные фибриллы, волокна или сформированные из фибрилл и волокон бумага и картон. Достоинствами целлюлозного компонента являются высокая прочность целлюлозных фибрилл, большая гидрофильность и впитывающая способность, отсутствие у целлюлозы термопластичности, практическая неисчерпаемость сырьевой базы и способности легко подвергаться вторичной переработке, легкая биоразрушаемость использованных изделий.

Полимер, выполняющий роль связующего, устраняет недостатки целлюлозного компонента: увеличивает механические и эластические свойства, снижает падение прочности во влажном состоянии, придает специальные свойства и т. д.

Технологию обработки и переработки бумаги и картона можно разделить на механическую и физико-химическую (табл. 1).

Таблица 1

Классификация методов и процессов обработки и переработки бумаги и картона

К механической технологии относятся процессы, в которых изменяютсяформа, внешний вид или физические свойства материалов без изменения состава и надмолекулярной структуры материала.

К физико-химической технологии относятся процессы коренногоизменения состава, свойств структуры, то есть внутреннего строения вещества, его надмолекулярной структуры.

Физико-химические технологий обработки бумаги и картона.

К физико-химической технологии обработки бумаги и картона относятся процессы нанесения покрытий, пропитки, склеивания, ме-таллизации, печати и т. п.

При обработке бумаги и картона физико-химическими методами получают композиционные материалы, обладающие новой надмолеку-лярной структурой. Однако получение ЦКМ и сохранение армирующей роли целлюлозных фибрилл и волокон на всех стадиях перехода от древесины к бумаге, а затем и к ЦКМ возможно лишь благодаря

направленному изменению физического (релаксационного) состояния полимеров. Перевод аморфных областей целлюлозы в высокоэластическое состояние и неизменность ее кристаллических областей позволяет обеспечить межмолекулярное взаимодействие между целлюлозой и другими полимерными компонентами.

На рис. 1, а, б представлена схема процесса нанесения покрытия. На движущееся полотно бумаги наносится покровная композиция, представляющая собой многокомпонентную систему, состоящую из по - лимеров, пигментов, специальных технологических (модифицирующих) добавок.

Рис. 1. Изменение физического (релаксационного) состояния целлюлозы и полимера при нанесении покрытия на бумагу: а - схема нанесения покрытия на бумагу; б - кривые изменения параметров физического состояния целлюлозы и полимера (Тсцелл - температура стеклования целлюлозы: Тспол, Ттпол - температуры стек-лования и текучести полимера соответственно; Тпр - температура процесса (процесс условно рассматривается как изотермический)

Для того чтобы нанести нацеллюлозныйматериа л полимерное покрытие или пропитать его, покровная или пропитывающая композиция должна представлять собой вязкотекучую систему, для которой характерна способность к пластическим деформациям. Вязкотекучую систему можно получить за счет растворения, плавления полимеров или использования латексов или дисперсий.

Прочное сцепление с основой или композиционная устойчивость материала может быть обеспечена путем реализации различных видов адгезии:

механической адгезии за счет затекания в поры бума ги полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии, с последующим его отверждением;

специфической адгезии за счет реализации процесс а межмолекулярного взаимодействия между функциональными группами наносимого полимера и функциональными группами, находящимися на поверхности фибриллярных элементов бумажного листа (путем образования физических и водородных связей) ;

адгезии за счет сегментальной совместимости макромолекул наносимого полимера и макромолекул полимерных компонентов бумажного листа.

Вопрос о том, какой вид адгезии будет реализован, связан с природой наносимого полимера, условиями нанесения, наличием предварительной обработки поверхности бумаги, осуществлением перевода полимерных компонентов бумаги из стеклообразного в высокоэластичное состояние (рис. 2).

Рис. 2 Влияние перевода полимера из стеклообразного в высокоэластичное состояние на возможность реализации различных механизмов адгезии.

При проведении процесса раестекловывания (перевода полимера из стеклообразного состояния в высокоэластичное) начинаются колебательные движения не только атомов, но звеньев и сегментов. Повышается сегментальная подвижность, увеличивается свободный объем в полимере, появляются свободные функциональные группы, не вовлеченные в водородные и физические связи. Каждый из этих факторов оказывает

влияние на реализацию того или иного механизма адгезии. Так, повышение сегментальной подвижности приводит к восстановлению капиллярно-пористой структуры целлюлозы. Благодаря раскрытию сети капилляров появляется возможность введения в них другого компонента за счет процессов течения по капиллярам. Реализуется механическая адгезия - затекание полимера, находящегося в вязкотекучем состоянии, в поры целлюлозы, бумаги и картона.

Увеличение свободного объема приводит к возможности проникновения наносимого полимера внутрь аморфных областей целлюлозы. Это создает предпосылки для реализации сегментальной совместимости - одного из наиболее эффективных путей обеспечения адгезии. Однако для реализации сегментальной совместимости необходимо не только наличие одного полимера в вязкотекучем, а другого в высокоэластичном состоянии, но и близость их химического строения, обуславливающая их совместимость.

Появление функциональных групп, не вовлеченных в физические и водородные связи, способствует межмолекулярному взаимодействию при формировании адгезионного шва. Реализуется специфическая адгезия за счет образования физических и водородных связей между свободными функциональными группами наносимого и бумагообразующих полимеров. При этом обязательным условием является не только наличие свободных групп, но и то, что они обладают определенным сродством друг к другу, т. е. способностью к проявлению достаточно выраженного межмолекулярного взаимодействия.

На практике могут быть реализованы различные пути перевода полимерных компонентов бумаги в высокоэластичное состояние.

Перевод из стеклообразного в высокоэластичное, а затем в вязкотекучее состояние можно осуществлять как за счет его нагревания выше температуры стеклования, так и изотермически, за счет повышения содержания низкомолекулярной жидкости.

Целлюлоза - кристаллизующийся полимер, имеющий четко выраженные кристаллические и аморфные области. Наличие аморфных областей позволяет говорить о температуре стеклования и релаксационных переходах в целлюлозе. Сухая целлюлоза при комнатной температуре находится в стеклообразном состоянии. Температура стеклования целлюлозы составляет 220 0С. т. е. лежит несколько выше, чем температура начала ее термического разложения. Поэтому релаксационные переходы для при нагревании, на первый взгляд, кажутся невозможными. Однако реакция термического разложения является типичной химической реакцией, скорость которой плавно увеличивается с температурой, в то время как при расстекловывании полимера происходит скачкообразное ускорение релаксационных процессов (в тысячи и десятки тысяч раз). Поэтому возможно кратковременное нагревание бумаги до температуры выше температуры стеклования целлюлозы, т. е. выше 220 °С, без существенной деструкции. Такое нагревание может осуществляться при горячемкаландрировании бумаги (при температурах 240... 260 °С), а также при нанесении на бумагу расплавов полимеров при высокой скорости движения бумажного полотна.

Под влиянием ряда жидких сред (воды, глицерина, уксусной кислоты) температура стеклования целлюлозы снижается весьма значительно, в частности в воде - ниже комнатной температуры (температура стеклования в воде составляет для нативной целлюлозы 45 °С, а для гидратцеллюлозы 20 °С). Таким образом, при комнатной температуре мокрая целлюлоза находится в высокоэластичном состоянии.

Расстекловывание целлюлозы под действием воды, уксусной кислоты и других низкомолекулярных жидкостей можно рассматривать как пластификацию полимера ограниченно совмещающимся пластификатором. Пластификатор проникает лишь в аморфные области. Полярные группы аморфных областей полимера сольватируются полярными группами пластификатора. Плотность и энергия межмолекулярного взаимодействия значительно слабые водородные связи между гидроксильными группами целлюлозы и воды или другой низкомолекулярной жидкости. Такая замена влечет за собой снижение межмолекулярного взаимодействия, увеличение сегментальной подвижности и свободного объема, т. е. перевод целлюлозы в высокоэластичное состояние.

Принанесения покрытия на бумагу или картон из суспензии, где полимер находится в виде раствора, латекса (дисперсии), перевод полимерных компонентов бумаги из стеклообразного состояния в высокоэластичное осуществляется за счет взаимодействия с низ-комолекулярной жидкостью из жидкой фазы покровной композиции.

Температура стеклования гемицеллюлоз намного ниже, чем целлюлозы, кроме того, их большая гидрофильность приводит к тому, что низкомолекулярные фракции в воде переходят не только в высокоэластичное (как у целлюлозы), но и в вязкотекучее состояние.

Природный лигнин в древесине имеет структуру трехмерной сетки. При получении волокнистых полуфабрикатов в результате процессов механодеструкции, хемодеструкции или их сочетания происходит разрушение трехмерной сетки нативного лигнина. Поэтому в волокнистых полуфабрикатах, особенно на их поверхности, находятся аморфные ли-нейные продукты деструкции трехмерного нативного лигнина. Температура стеклования их в сухом виде составляет 130... 190 оС, во влажном - 70... 120 °С (большой интервал в температурах объясняется большой полидисперсностью лигнина).

Расстекловывание полимерных компонентов бумаги приводит к одновременному ослаблению межфибриллярных и межволоконных связей в бумаге, к снижению ее физико-механических свойств и механической прочности. Поэтому при разработке технологии ЦКМ необходимо выбирать такие условия, при которых осуществляется лишь частичное расстекловывание полимерных компонентов бумаги, не приводящее к разрыву бумажногополотна, но достаточное для реализации того или иного механизма адгезии. Параметры технологического процесса должны обеспечивать поверхностное воздействие жидкой фазы на бумагу, а удаление жидкости должно происходить раньше, чем пропитается вся толща бумажного полотна.

Основные элементы (модули) технологических схем, применяемых при обработке бумаги

Большинство установок состоит из нескольких основных узлов -модулей.

Рис. 3. Блок-схема типового технологического процесса обработки бумаги: 1 - узел подачи (раскат) ; 2 - узел подготовки бумаги к обработке; 3 - узел подготовки реагентов («кухня») ; 4 - узел обработки; 5 - узел сушки; 6 - узел регенерации; 7 - узел приема (накат) ; 8 - узел отделки; 9 - узел упаковки

На основе использования унифицированных элементов - модулей можно создать любые технологические схемы, начиная от самых простых (типа раскат - пропиточная ванна - сушка - накат) и до самых сложных, предусматривающих возможность последовательного многослойного нанесения покрытий на бумагу или картон с предварительной обработкой (например, коронным разрядом). Кроме того, некоторые из этих модулей могут быть встроены в сушильную часть бумаго- или картоноделательной машины.

Узел подачи (раскат) 1, называемый также узлом размотки, илиразмоточным устройством, должен обеспечивать непрерывную подачу бумаги при ее равномерном и строго контролируемом натяжении.

Узел подготовки бумаги к обработке 2 предназначен дляпредварительной механической и физико-химической обработки бумаги. Механическая подготовка бумаги включает разравнивание полотна бумаги, устранение волн, «рябых» пятен, покоробленных кромок, центрирование бумажного полотна. Механическая подготовка осуществляется с помощью систем валиков - так называемых правильных валиков, разравнивающих или расширительных роликов, центрирующих роликов.

Физико-химическая подготовка заключается в увлажнении илиподсушке бумаги, придании ей заданной температуры (например, предварительный нагрев бумажного полотна перед полиэтиленированием), нанесении различных грунтовочных составов (например, для улучшения адгезии), обработке коронным разрядом и т. п.

Узел подготовки реагентов 3 предназначен для приготовленияпокровных и пропитывающих композиций. Применяемые для физико-химической обработки бумаги или картона покровные или пропитывающие композиции являются сложными многокомпонентными системами, содержащими наряду с основным полимером и растворителем модифицирующие добавки: пигменты, пластификаторы, диспергаторы, стабилизаторы, красители, сшивающие агенты, антистатики и т. д. Перед проведением обработки бумаги из всех этих ингредиентов должна быть приготовлена однородная устойчивая система, обладающая стабильностью свойств в течение технологического цикла (обычно это 24... 48 ч).

Одной из наиболее сложных задач при приготовлении покровных и пропитывающих композиций является диспергирование порошковых пигментов. Существует предварительное и окончательное диспергирование.

Узел для обработки бумаги или картона 4 должен обеспечиватьдозирование, нанесение и разравнивание жидкой системы с последующим ее отверждением. Эти основные стадии процесса обработки бумаги и картона могут в зависимости от вида применяемых устройств осуществляться отдельно или совмещено. В каждом отдельном случае выбор метода нанесения покрытия определяется особенностями получаемой продукции и реологическими свойствами используемой системы.

При всем многообразии устройств, применяемых для нанесения покрытия на бумагу и картон, они могут быть разделены на сравнительно небольшое количество групп, в которых устройства имеют одинаковое конструктивное исполнение или принцип нанесения. Основные критерии выбора способа нанесения связаны, во-первых, с толщиной наносимого покрытия, во-вторых, со структурой покрытия и, в-третьих, со структурой композиционного материала.

При нанесении покрытий необходимо обеспечить либо создание на поверхности бумаги равномерной пленки заданной толщины, либо получение равномерного по толщине композиционного материала. Так, при меловании бумаги в первую очередь необходимо обеспечить равномерную толщину готового композиционного материала, а при получении ультрафильтров на бумажной подложке - равномерность толщины покрытия.

Толщина покрытия может меняться в значительных пределах - используются как тонкие покрытия толщиной менее 3 мкм (например, антиадгезионные кремнийорганические покрытия на предварительно загрунтованной бумаге), так и покрытия со средней толщиной - от 3 до 30 мкм. Структура покрытия и композиционного материала может быть различной в зависимости от числа слоев, которые необходимо нанести, а также от того, на одну или две стороны бумаги наносятся покрытия.

В соответствии с рассмотренными критериями выбирается принцип нанесения покрытия и намечаются конструктивные особенности оборудования и параметры процесса. В зависимости от количества наносимого пленкообразующего раствора (или расплава) возможны два пути: дозированное нанесение и нанесение с избытком, удаляемым впоследствии с помощью специальных устройств - шаберов. Первый путь удобнее для обеспечения равномерности толщины покрытия; второй - для обеспечения равномерности толщины всего материала. При удалении избытка нане-сенного вещества, в свою очередь, могут применяться различные решения, некоторые из них обеспечивают скорее равномерность толщины покрытия (воздушный шабер), другие - равномерность толщины композиционного материала (гибкий шабер).

Покрытие можно наносить непосредственно на бумагу или на промежуточное рабочее тело. Неравномерность толщины бумаги, неровность ее поверхности, возможность неравномерного смачивания ее поверхности приводят к целесообразности использования (особенно при нанесении покрытий с равномерной, точно заданной толщиной) промежуточного рабочего тела. Чаще всего применяют различные валики с заданной геометрией поверхности (полированные, растровые и т. д.).

Толщину покрытия можно регулировать за счет дозированного истечения, дозированной подачи или уноса жидкости движущейся поверхностью. Равномерность толщины покрытия может обеспечиваться, во-первых, за счет постоянства вязкости (при учете взаимосвязи реологических свойств, концентрации, температуры), во-вторых, за счет постоянства скорости движения бумаги и ее поверхностных свойств (угла смачивания) и, в-третьих, за счет равномерной подачи насосом или экструдером. Во всех случаях большое значение имеют реологические свойства системы. Сама по себе величина вязкости - одна из самых простых реологических характеристик системы. Применяемые системы являются неньютоновскими, и зависимость вязкости от скорости сдвига или напряжения сдвига оказывает определенное влияние на ход процесса нанесения, так же как и величина энергии активации вязкого течения (температурная зависимость вязкости).

Систематизация узлов для нанесения покрытий и конструкция самих узлов связаны с видом используемой полимерной системы. Наиболее распространены четыре варианта нанесения полимерных покрытий на бумагу: 1) нанесение из расплавов; 2) нанесение из растворов; 3) нанесениеиз дисперсий; 4) наслаивание готовой пленки на бумагу с применением специальных клеящих веществ или методом горячего прессования.

Узел сушки и охлаждения 5 предназначен для отверждения покрытия. При нанесении на бумагу покрытий или при пропитке сиспользованием расплавов полимеров для перевода полимера из вязкотекучего в высокоэластичное, а затем в стеклообразное состояние материал необходимо охладить.

При нанесении на бумагу покрытий или при пропитке с использованием растворов или дисперсий полимеров растворитель или дисперсионную среду (чаще всего воду) удаляют, как правило, путем испарения.

При горячей припрессовке и ламинировании бумаги проводится горячее каландрирование (при температуре до 260 °С).

Во всех этих случаях необходимо обеспечить интенсивный теплообмен между материалом и окружающей средой. Механизм теплообмена может быть различен: за счет контакта материала с нагревающей или охлаждающей поверхностью, вынужденной конвекцией, свободнойконвекцией и лучеиспусканием.

Основной особенностью процессов сушки, термообработки и охлаждения при осуществлении обработки бумаги является то, что именно при этих процессах идет формирование надмолекулярной структуры получаемого композиционного материала, меняется физическое (релаксационное) состояние его компонентов, возникают постоянные связи между ними. При переходе полимера из вязкотекучего в высокоэластичное, а затем в стеклообразное состояние характер и размер надмолекулярных образований обусловливаются в значительной степени кинетикой этого перехода, который включает и кинетику кристаллизации полимера и кинетику релаксационных процессов. Чем мягче условия сушки и больше ее продолжительность, тем более равномерно и полно происходит релаксация внутренних напряжений. В результате структура получаемых композиционных материалов во многом определяется кинетикой теплообмена на этих заключительных стадиях процессов обработки.

При нанесении покрытий или пропитке с использованием расплавов полимеров теплообмен происходит за счет лучеиспускания, вынужденной конвекции, контактного охлаждения и испарения влаги, содержащейся в бумажном полотне.

Охлаждение расплава за счет конвекции является основным при получении, например, мягких кровельных материалов, при нанесении полиэтиленовых покрытий на бумагу на участке от фильеры до ламинирующего вала. Контактное охлаждение расплава играет главную роль в теплообмене при нанесении покрытия методом экструзии или каширо-вания. В этом случае расплав охлаждается до температуры, при которой его вязкость составит 107…109Па·с, т. е. практически до отверждения, и поверхность покрытия будет зеркально повторять поверхность охлаждаю-щего цилиндра (гладкую, матовую, узорчатую). Для обеспечения интенсивного теплоотвода цилиндр может охлаждаться не только водой, но и с помощью холодильной установки.

Узел регенерации 6 является обязательным по экологическим иэкономическим соображениям при использовании органических растворителей. Однако при небольших объемах производства болеевыгодным может оказаться не регенерация органических растворителей, а сжигание их паров.

Переворотное устройство применяется для нанесения покрытия наобе стороны основы. При одинаковом составе покрытий нанесение может осуществляться сразу на обе стороны. При разном составе покрытий обычно вначале наносят покрытие на одну сторону, а после сушки - на другую.

Узел приема (накат 7) должен обеспечивать равномерную, плотнуюнамотку рулона без перекоса кромок, непрерывный съем рулонов, а в необходимых случаях - снятие зарядов статического электричества. Обеспе-чение плотной намотки рулонов в данном случае является сложной задачей.

Контроль качества готовой продукции на современных предприятиях ЦБП строится на использовании автоматической системы контроля. По мере развития системы компьютерного контроля и управления обеспечивается контроль показателей выпускаемой продукции (массы 1 м2, белизны, влажности, удержания наполнителя и т. д.) непосредственно в ходе ее из-готовления (on-line), и объем параметров готовой продукции, контролируемых в лаборатории, в принципе может сокращаться. Однако повышение требований к качеству продукции приводит к появлению новых методов контроля, которые, как правило, вначале применяют в виде методов лабораторного контроля.

Таблица 2

Характеристика устройств для нанесения покрытий