Исследование влияния параметров сульфатной варки лиственницы на физико-механические показатели при производстве тароупаковочных видов бумаги и картона

Учитывая, что произведена калибровка прибора, вырезанные бумажные образцы (по 2 шт.) вставляются между зажимами.

После того, как образец поднесен к зажиму, и автоматически распознан, происходит его зажатие. После нажатия клавиши «Старт» образец автоматически надрезается, маятник высвобождается, происходит раздирание образца, и результат испытания отображается на дисплее. Затем маятник возвращается в исходное положение, испытанный образец можно извлечь. Результат испытания отображается в графическом и числовом виде. Рассчитываются статистические данные (мин., макс., среднее значение, стандартное отклонение), соотношение результатов испытаний в машинном и поперечном направлениях.

Испытание проводится несколько раз для усреднения общего значения.

Методика определения сопротивления бумаги на разрыв.

Удлинение при растяжении определяется одновременно с сопротивлением разрыву и фиксирует удлинение, наблюдающееся до разрыва бумаги. Произведение разрушающего усилия на удлинение служит мерой способности листа бумаги поглощать энергию (мерой прочности) и применяется при сравнении разных материалов.

Прибор для испытания: Сопротивление разрыву измеряют на Горизонтальной разрывной машине (Рис. 3.18), в которой полоса исследуемого образца бумаги зажимается между двумя зажимами. Разрушение образца осуществляется посредством движения одного зажима, второй зажим остается неподвижным. Прибор регистрирует силу в последний момент перед разрывом и величину удлинения бумаги. Из величины разрывного напряжения может быть рассчитана так называемая разрывная длина.

Рис. 3.18. Горизонтальная разрывная машина для определения сопрортивления бумаги на разрыв.

Подготовка образцов: Исследуемую отливку бумаги взвешивают, определяют массу квадратного метра, а также толщину при помощи Толщинометра (п. 3.10.2). Затем нарезают образцы размером 10 х 150 мм (5 шт.) при помощи Ножа для резки образцов с двойным лезвием.

Проведение испытания:

На сенсорном дисплее с основным меню выбирается программа о скоростью машины 120 мм/мин, в соответствии с которой должны проводиться испытания образца: вводятся требуемые данные массы метра квадратного и толщины образца, а также его название (условно).

Образец помещается на плоские зажимы прибора. После автоматического распознавания, происходит пневматическое закрепление образца зажимами. Прибор начинает измерение.

На дисплее отображаются результаты испытаний: в виде кривой разрушения (справа) и значений различных показателей (слева).

После выполнения испытания происходит автоматический возврат зажима для смены пробы образца.

После проведения серии испытаний в меню статистики можно видеть основные статистические величины (среднее, минимальное, максимальное значения, стандартное отклонение), а также соотношение значений в машинном и поперечном направлении.

Результаты всех испытаний распечатываются с помощью печатающего устройства.

4. Экспериментальная часть

В ходе исследовательской работы были изучены параметры следующих видов варок: традиционная, паровая экстракция, водная экстракция, экстракция черным щелоком.

Традиционная варка проводилась при температуре 170°С 150 минут без предварительной обработки, с добавлением белого щелока (NaOH и Na2S) и воды.

Если для целлюлозы, предназначенной для тароупаковочных видов бумаги и картона, с целью сохранения прочности, увеличения выхода и облегчения размола, желательно сохранить гемицеллюлозы, представленные, в основном, арабиногалактаном, который представляет собой водорастворимый полисахарид, содержание которого в различных частях растительного сырья достигает 30%, то для химической пререработки и санитарно - гигиенических видов бумаги необходимо максимальное удаление гемицеллюлоз и нецеллюлозных компонентов. Этого можно добиться с помощью предварительной экстракцией паром, водой, черным щелоком.

Варка с предварительной паровой экстракцией проводилась с предварительной экстракцией паром до температуры 160°С 60 минут, затем проводилась сдувка (охлаждение) и, собственно, варка при температуре 170°С 90 минут.

Варка с водной экстракцией проводилась с предварительной экстракцией водой до температуры 120°С 60 минут, затем проводилась сдувка (охлаждение), а затем, варка до температуры 170°С 100 минут.

Последняя варка проводилась с предварительной экстракцией черным щелоком до температуры 120°С 30 минут; с последующей сдувкой (охлаждением) и варкой при температуре 170°С 90 минут.

4.1 Кинетика размола сульфатной хвойной небеленой целлюлозы лиственницы.

По методическим указаниям 3.3. - 3.4. были получены данные:

Табл. 4.1 - Кинетика размола сульфатной небеленой целлюлозы лиственницы.

Приведенные в таблице 4.1. результаты показывают, что степень помола целлюлозы постепенно увеличивается со временем размола. После набухания и дезинтегрирования лиственничной целлюлозы начальная степень помола составила 15 °ШР для общей массы. Через определенное время размола степень помола общей массы достигла 30 °ШР, что связано, в первую очередь, с увеличением содержания мелочи и с общим снижением средней длины волокна. Последующий размол до 60 °ШР только подтверждает продолжение подобной зависимости. Таким образом, полученные данные подтверждают сильное влияние содержания в массе мелочи на результаты определения степени помола. [7]

Сопоставительный анализ:

Рис. 4.1. График зависимости удельной нагрузки от степени помола волокна всех исследуемых образцов сульфатной небеленой целлюлозы лиственницы.

На рис. 4.1. наблюдается возрастание удельной нагрузки с повышением степени помола волокна. Это объясняется увеличением времени размола. Как видно из графика, вначале процесса размола превалирует процесс фибрилляции и увеличения водоудерживающей способности, т.е. доступности воде ОН-групп, а затем водоудерживающая способность начинает снижаться, по-видимому, из-за частичного разрушения фибриллярной структуры и макрокапилляров, сильного укорачивания волокна и общей деструкции микрофибрилл. Физический смысл отсутствия значительного прироста гидрофильности фракций лиственной целлюлозы после размола заключается в достижении так называемой точки насыщения (Fiber Saturation Point), при которой степень фибрилляции уравновешивается с потерей прочности волокнистой структуры. [7]

Приведенные на графике результаты показывают, что быстрее всего намеченную степень помола достигает целлюлоза, полученная при традиционной варке, т.к. при этом виде варке максимально были сохранены гемицеллюлозы. А хуже всего размалывается целлюлоза, полученная при варке экстракцией черным щелоком, т.к. при этом виде варки наиболее полно были удалены гемицеллюлозы и нецеллюлозные компоненты.

4.2 Кинетические свойства сульфатной небеленой целлюлозы лиственницы

Изучались такие кинетические показатели целлюлозного волокна, как:

Электрокинетический потенциал, или дзета-потенциал - часть общего скачка потенциала на границе двух фаз, определяющая относительное перемещение этих фаз при электрокинетических явлениях. Общий скачок потенциала при пересечении межфазной границы в дисперсных системах обусловлен существованием двойного электрического слоя. [17]

Катионная потребность. Понятие катионной потребности является мерой содержания отрицательно заряженных частиц в бумажной массе. Этот показатель отражает расход стандартного катионного полиэлектролита на титрование фильтрата волокнистой гидросуспензии до достижения изоэлектрического состояния, т.е. с химической точки зрения, это концентрация. [17]

Водородный показатель, pH -- мера активности (в очень разбавленных растворах она эквивалентна концентрации) ионов водорода в растворе, и количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на литр. [17]

По методическим указаниям 3.5. - 3.7. были получены данные:

Табл. 4.2 - Кинетические свойства сульфатной небеленой целлюлозы лиственницы.

Сопоставительный анализ:

Рис. 4.2. График зависимости электрокинетического потенциала от степени помола волокна всех исследуемых образцов сульфатной небеленой целлюлозы лиственницы.

Данные, представленные на рисунке 4.2, показывают, что с увеличением времени размола на первом его этапе ж-потенциал снижается, а затем несколько возрастает по абсолютному значению. Такое поведение можно объяснить следующим образом. При размоле происходит разрыв водородных связей между микрофибриллами целлюлозы (фибрилляция), происходит набухание волокна, увеличивается степень дисперсности гидросуспензии и снижается средняя длина волокна (укорачивание). Расширение гидратационного слоя вызывает перемещение границы скольжения вглубь диффузионного слоя, а такое перемещение снижает ж-потенциал. Факт увеличения ж-потенциала при длительном времени размола объясняется тем, что раскрытие поверхности увеличивает гидратацию и приводит к большей ориентации диполей воды на поверхности целлюлозы и общему росту поверхностного заряда. Таким образом, влияние времени размола (увеличение удельной поверхности) на ж-потенциал целлюлозы определяется двумя параллельно протекающими и конкурирующими процессами: увеличением гидратации (снижение ж-потенциала) и дополнительной ориентацией диполей воды (увеличение ж-потенциала). [7]

В промышленном производстве необходимо регулировать этот показатель. В процессе производства бумажного полотна для большей прочности связи волокно-волокно или волокно-наполнитель и для хорошего формования бумажного листа, показатель ж-потенциал должен быть минимальным. На сравнительной диаграмме полученных результатов мы видим, что минимальное значение ж-потенциала наблюдается у целлюлозы, полученной при варке с экстракцией черным щелоком, так как при этом виде варки происходит частичное омыление легкоомыляемых компонентов, поэтому после варки происходит уменьшение гидроксильных групп, что, очевидно, уменьшает ж-потенциал.

4.3 Морфологические особенности сульфатной небеленой целлюлозы лиственницы

По литературным данным средняя длина неразмолотых волокон хвойной целлюлозы находится в пределах 2,08 - 3,03 мм, а средняя ширина 33 - 40 мкм [15]. Как видно из таблицы 4.3. полученные значения средневзвешенной длины и ширины входят в интервалы. Среднеарифметическую длину волокон определяют делением общей длины всех волокон на их количество. При определении средневзвешенной длины в расчет принимают массовую долю фракций с различной длиной. Среднеарифметическая длина всегда меньше, чем средневзвешенная. Причем средневзвешенная длина волокон ближе к практическому значению, чем среднеарифметическая. [6]

По методическим указаниям 3.9. были получены следующие данные:

Табл. 4.3 - Морфологические свойства лиственничной сульфатной небеленой целлюлозы.

Кривые изменения средневзвешенной длины волокна (мм) и ширины образца (мкм) образцов сульфатной хвойной небеленой лиственничной целлюлозы в процессе размола на мельнице PFI показаны на рисунках 4.3. и 4.4. соответственно:

Рис. 4.3. График зависимости изменения средневзвешенной длины волокна от степени помола образцов небеленой хвойной лиственничной целлюлозы.

Рис. 4.4. График зависимости изменения средней ширины волокна от степени помола образцов небеленой хвойной лиственничной целлюлозы.

Из полученных на рис. 4.3. данных видно, что с увеличением степени помола волокно становится короче. У образцов сульфатной хвойной небеленой целлюлозы лиственницы при размоле средневзвешенная длина уменьшается с течением времени размола. Также из рис. 4.4. видно, что средняя ширина скрученных волокон уменьшается с увеличением степени помола целлюлозы, потому как волокна при размоле выпрямляюся при укорачивании. Большое значение на эффект рубки и фибрилляции волокон имеет настройка размольного оборудования. [6]

Однако приведенные выше показатели не дают точной зависимости свойств растительных волокон, а тем более свойств готовой бумаги от их морфологического строения. Эти зависимости весьма сложные и их невозможно выразить каким-либо одним коэффициентом. Отдельные показатели морфологической структуры волокон и свойства единичных волокон не могут однозначно характеризовать их бумагообразующие свойства, которые определяются всем комплексом свойств, находящихся в сложной взаимозависимости. [6]

Влияние процесса размола на структуру и свойства волокон.

Размол - механический процесс, при котором волокна в водной среде испытывают расщепляющие и режущие воздействия. Цель размола - структурные изменения клеточной стенки волокна посредством применения механической энергии. Изменения, протекающие в процессе размола, можно разделить на две группы - первичные и вторичные. К первичным относятся: внешнее и внутреннее фибриллирование, укорочение волокна, образование мелкой фракции, структурные изменения, микрокомпрессии, скручиваемость и освобождение химических компонентов. Вторичные объединяют все остальные эффекты и изменения свойств волокна, которые происходят в течение размола. Во время размола расщепление внутренней структуры волокна увеличивается и фибриллы отделяются друг от друга, что приводит к увеличению гибкости волокон. Более гибкие волокна склонны к построению более прочной и однородной структуры. [8]

Посредством механического воздействия связи, ограничивающие набухание гемицеллюлоз, стремительно разрушаются, что приводит к выпрямлению волокна. Главный результат внешней фибрилляции - это увеличение площади поверхности волокон, что приводит к возрастанию количества связей между волокнами во время процесса сушки. Также во время внешней фибрилляции образуется волокнистая мелочь. [8]

Относительно эффекта процесса размола на формование было установлено, что размол благоприятно влияет на индекс формования. Это главным образом объясняется изменением длины волокна и увеличением времени обезвоживания. Замедление обезвоживания даёт больше времени волокну, а главным образом волокнистой мелочи достичь и заполнить регионы с меньшей плотностью волокнистого материала. Ухудшение формования посредством размола возможно за счёт внешней фибрилляции волокон при их постоянной длине. Размол улучшает формование бумаги лишь только тогда, когда эффект укорочения волокна доминирует над эффектами фибрилляции и выпрямления волокна. [8]

Во время размола расщепление внутренней структуры волокна увеличивается, и фибриллы отделяются друг от друга, что приводит к увеличению гибкости волокон. Более гибкие волокна склонны к построению более прочной и однородной структуры. Размол улучшает формование бумаги лишь только тогда, когда эффект укорочения волокна доминирует над эффектами фибрилляции и выпрямления волокна. Из графиков можно заметить, что целлюлоза, полученная при паровой экстракции, имеет самые низкие показатели средневзвешенной длины волокна и ширины волокна, что является наилучшим при химической переработки для прочности связи волокон и для формования бумажного листа. Тем более чем меньше длина волокна, тем лучше волокно удерживает воду, что положительно сказывается на водоудерживающей способности волокна, которая является основным показателем для санитарно - гигиенических видов бумаги.

4.4 Физико - механические свойства сульфатной хвойной небеленой целлюлозы лиственницы

Определялись такие данные:

Сопротивление разрыву - это усилие, требуемое для разрыва полоски материала. До определенного предела материал демонстрирует упругие и эластичные свойства. В упругой области деформация (удлинение), вызванная приложенной силой (напряжением), пропорциональна этой силе. Бумага и картон демонстрируют упругие свойства до определенного предела. Это означает, что если действие силы прекращается, образец восстанавливает свою первоначальную форму, однако выше предела упругости эта зависимость больше не действует, так как материал постепенно деформируется, вплоть до его разрыва. [17]

Разрывная длина - это расчетная длина в метрах, при которой полоска бумаги, закрепленная зажимами с обоих концов, разрывается под действием силы растяжения. [17]

Удлинение при разрыве - это удлинение, измеренное в момент разрушения испытательной полоски бумаги или картона, причем условия растяжения определяются стандартным методом испытаний. Обычно оно выражается в процентах от первоначальной длины образца. [17]

Прочность при растяжении - это максимальное растягивающее усилие на единицу ширины, которое бумага или картон могут выдерживать перед разрушением, при условиях, определенных в стандартном методе испытаний. [17]

Модуль Юнга (модуль упругости) -- коэффициент, характеризующий сопротивление материала к растяжению/сжатию при упругой деформации. В динамических задачах механики модуль Юнга рассматривается в более общем смысле -- как функционал среды и процесса. [17]

Индекс TEA (Tensile Energy Absorption, определение работы разрыва) выражается количеством энергии на единицу площади поверхности образца, которую поглощает бумага в процессе ее растяжения до наступления разрыва. Для измерений используют специальный прибор для испытания на растяжение, который не только измеряет прочность на разрыв и растяжение, по и обобщает данные с вычислением полной энергии, поглощаемой полосой бумаги до разрыва. [17]

Сопротивление раздиранию - среднее значение усилия, необходимого для раздирания предварительно надрезанного образца бумаги (волокнистого полуфабриката, картона), выраженное в миллиньютонах (мН). [17]

Сопротивление продавливанию - максимальное равномерно распределенное давление, приложенное под прямым углом к поверхности образца, которое он выдерживает до момента разрыва в условиях, определенных стандартным методом испытания. [17]

Шероховатость - это величина потока воздуха в мл/мин, проходящего между кромкой измерительного узла и образцом. [17]

Пористость - это величина потока воздуха, проходящего через определенную площадь бумажного (картонного) листа в единицу времени в стандартных условиях. Показатель пористости означает степень впитывания бумагой печатной краски. [17]

Воздухопроницаемость - свойство бумаги (картона) пропускать воздух. Характеризуется объемом воздуха, проходящего через определенную площадь бумажного (картонного) листа в единицу времени в стандартных условиях. [17]

Поверхностная впитываемость воды при одностороннем смачивании (метод Кобба) - расчетная масса воды, поглощенная поверхностью бумаги или картона площадью 1 м2 за установленное время при определенных условиях.

Водоудержание (водоудержательная способность) - выраженное в процентах отношение объема воды, удерживаемой волокнами целлюлозы, к массе волокон целлюлозе, высушенных до абсолютно сухого значения. [17]

По методическим указаниям 3.8, 3.10 были получены данные:

Табл. 4.4 - Физико - механические свойства бумажных листов сульфатных варок лиственничной небеленой целлюлозы.

На свойства бумаги влияют состав и распределение химических компонентов в целлюлозе, механическая прочность индивидуальных волокон целлюлозы, их отношение к размолу в водной среде - набухание, укорачивание, фибриллирование, способность к водоудержанию, к образовании при отливе коалесцентных и коагуляционных структур, определяющих связеобразование и равномерность структуры бумаги и т.д.[6]

Сопоставительный анализ:

Рис. 4.5. График зависимости водоудерживающей способности волокон целлюлозы различных варок от степени помола волокна.

В качестве наиболее доступной оценки удельной поверхности и общего объема пор волокнистого полуфабриката в ЦБП выступает определение относительного водоудержания при центрифугировании (WRV). На графике 4.5. представлена динамика изменения водоудерживающей способности от времени размола для восьми типов целлюлозных волокон. Как видно из графика, вначале процесса размола превалирует процесс фибрилляции и увеличения водоудерживающей способности, т.е. доступности воде ОН-групп, а затем водоудерживающая способность начинает снижаться, по-видимому, из-за частичного разрушения фибриллярной структуры и макрокапилляров, сильного укорачивания волокна и общей деструкции микрофибрилл. Из графика 4.5. следует, что более высокие значения водоудержания волокна отвечают за более развитую удельную поверхность самой целлюлозы. [7]

По определению, WRV - характеристика относительного содержания прочносвязанной воды в волокнистом полуфабрикате. В то же время, прочносвязанная волокном вода является функцией его надмолекулярной структуры. Процесс размола затрагивает структуру макромолекул целлюлозы, что проявляется в изменении соотношения кристаллических и аморфных областей в пользу прироста последних. Эти изменения отражаются на содержании остаточной воды в целлюлозе и могут быть охарактеризованы показателем WRV. [14]

Содержание прочносвязанной воды, или WRV, связано также со способностью волокна к внутреннему набуханию, а оно, в свою очередь, зависит от степени внутреннего фибриллирования волокна. Поскольку одним из положительных и желаемых проявлений размола является внутреннее фибриллирование волокна, а по существу изменение соотношения кристаллических и аморфных областей, то WRV является мерой этого изменения. Большему WRV соответствует большее набухание и фибриллирование, и наоборот. Учитывая, что степень внутреннего набухания и фибриллирования волокна является одним из определяющих факторов межволоконного связеобразования и формирования структуры листа, WRV можно применить в качестве интегрального показателя оценки готовности волокнистой массы для изготовления бумаги и картона. В плане изучения такого применения WRV представлялось важным найти зависимость между степенью помола волокнистого полуфабриката WRV и изменениями надмолекулярной структуры, которые обусловливают уровень WRV. [14]

Рис. 4.6. График зависимости впитываемости при одностороннем смачивании целлюлозного волокна различных варок от степени помола волокна.

Из графика 4.6. можно отметить, что с увеличением степени помола волокна и повышением сухости начинаются морфологические изменения в стенке волокна. Стенки под действием капиллярных сил начинают приближаться друг к другу, микропоры сжимаются. Усадка происходит исключительно под прямым углом между слоями стенок волокон, стенки при этом становятся тоньше. К концу сушки происходит удаление воды из аморфной части целлюлозы, наблюдается полное исчезновение пор диаметром менее 1 нм. Усадка при сухости более 80% необратима. Под воздействием сушки наблюдается потеря эластичности волокна, увеличивается его хрупкость, снижается гибкость, уменьшается жесткость клеточной стенки. [7]

Кривая изменения впитывающей способности бумаги в зависимости от степени помола целлюлозы является как бы обратным изображением кривой соответствующего развития межволоконных связей в бумаге. По мере того, как эти силы связи растут, волокна сближаются между собой, поры в бумаге уменьшаются, что и приводит к понижению впитывающей способности. [14]

Показатель водоудерживающей способности и впитываемости при одностороннем смачивании должен быть максимальным для производства санитарно - гигиенических видов бумаг таких, как детские памперсы, прокладки, бумажные платочки и полотенца и т.д. На сравнительной диаграмме полученных результатов мы видим, что лучшей водоудерживающей способностью обладает целлюлоза, сваренная при водной экстракции, т.к. практически из-за полного удаления арабиногалактана, обладает большей способностью раскрывать капилляры и поры и впитывать жидкость извне.

Механическая прочность - это один из основных и важнейших свойств большинства видов бумаги и картона. Прочность бумаги на разрыв, раздир и излом зависит не от прочности отдельных компонентов, а от прочности самой структуры бумаги, которая формируется в самом процессе производства. Эти свойства характеризуют потребительские свойства бумаги в дальнейшем её использовании. [6]

Рис. 4.6. График зависимости усилия продавливания бумажных листов различных варок сульфатной небеленой лиственничной целлюлозы от степени помола волокна.

Рис. 4.7. График зависимости сопротивления к раздиру бумажных листов различных варок сульфатной небеленой лиственничной целлюлозы от степени помола волокна.

Рис. 4.8. График зависимости разрывной длины бумажных листов различных варок сульфатной небеленой лиственничной целлюлозы от степени помола волокна.

При изучении физико - механических показателей сульфатного волокна небеленой лиственницы было отмечено, что при исходной степени помола сопротивление готовой бумаги разрыву, излому и раздиранию гораздо ниже, чем при размоле этого волокна до более высокого °ШР. Также на кривой 4.6. - 4.7. замечено, что кривая сопротивления в трех случаях поднимается с увеличением степени помола, достигает максимального значения, а затем несколько снижается. Причина этого заключается в том, что в первом случае процесс размола направлен больше в сторону укорочения волокна, а во втором -- в сторону гидратации. [14]

При размоле сульфатной целлюлозы наблюдаются те же закономерности, однако бумага получается при этом с большим сопротивлением разрыву, раздиранию и излому; само волокно остается более длинным, хотя приходится применять при размоле более высокое удельное давление. Примерно также изменяется и кривая сопротивления бумаги излому, но обычно эта кривая достигает максимума несколько раньше, т. е. при несколько меньшей степени помола целлюлозы, чем кривая разрывной длины. Кривая сопротивления раздиранию также имеет переломную точку, но она достигается раньше в первой стадии размола целлюлозы, а далее кривая снижается, следуя за изменением длины волокна при размоле. [14]

Следовательно, на показатель разрывной длин...