46

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Университет растительных полимеров

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Эффективное использование химических вспомогательных веществ в производстве бумаги и картона

05.21.03 - технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины.

Осипов Павел Васильевич

Санкт-Петербург

2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом университете растительных полимеров и ЗАО "БАСФ" (г. Москва).

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Смолин Александр Семенович

доктор химических наук, профессор

Боголицын Константин Григорьевич

доктор технических наук, доцент

Дубовый Владимир Климентьевич

Ведущая организация: ОАО "Всероссийский научно-исследовательский институт целлюлозно-бумажной промышленности", г. Санкт-Петербург.

Защита состоится "____"__________ 2008г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.231.01 при ГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, по адресу: 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГТУРП.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198095, г. Санкт-Петербург, ул. Ивана Черных, д.4.

Автореферат разослан: "____"___________2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Швецов Ю.Н.

Общая характеристика работы

· Разработанные принципы многокомпонентных систем химических вспомогательных веществ для картонно-бумажного производства и общая методология оценки эффективности функционирования машин на основе результатов экспериментальных исследований взаимосвязи электрокинетических характеристик бумажной суспензии с химико-технологическими процессами при массоподготовке и в мокрой части БДМ / КДМ.

· Определение и классификация массных суспензий по величине катионной потребности, принципы регулирования электрокинетических параметров путем применения процессных химикатов и принципы их подбора в зависимости от параметров электрокинетического состояния массы, методы расчета обезвоживающей способности массы.

· Принципы практического решения проблемы смоляных затруднений на производстве путем применения специальных фиксаторов смолы.

· Результаты экспериментальных исследований по повышению эффективности проклейки в массе целлюлозной и макулатурной композиции клеевыми составами на основе АКД, принципы повышения эффективности проклейки канифольными клеевыми дисперсиями и повышения эффективности применения крахмалопродуктов с помощью процессных химикатов.

· Новая химическая технология производства газетной бумаги и влагопрочной бумаги, основы для гипсокартона, тест-лайнера и гофробумаги с применением многокомпонентных систем фиксации-удержания, а также использованием новых синтетических упрочнителей.

В диссертационной работе решена важная научная тема разработки новых технологических решений, позволяющих повысить производительность БДМ/КДМ разной мощности с экономией энергоресурсов и различных материалов.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы. Показана важность теоретической и практической работы по разработке и внедрению новых систем химических вспомогательных веществ для химической технологии картонно-бумажного производства.

В первом разделе рассмотрены цифры российского бумажного производства и использования продуктов химии. Менее одного процента от компонентов бумаги и картона на сегодня составляют все химикаты в пересчете по содержанию сухого вещества в каждом продукте и только около 0,05% - синтетические полимерные добавки (Рисунок 1).

Рисунок 1: Применение синтетических добавок в бумажном производстве России.

Рассмотрены главные тенденции в мировой ЦБП и эффективность работы машин по материалам и по времени, в том числе сроки службы одежды машин и качество продукции, энергетические затраты и экологические параметры функционирования. Помимо вида волокна, наполнителей, параметров механического воздействия и непосредственно машинных факторов, средствами активного воздействия на продуктивность являются химические добавки. Как неотъемлемая часть современной технологии производства бумаги и картона, условно химикаты разделяют на две группы: улучшающие производительность машин и улучшающие качество продукции (Таблица 1). Химические продукты для фиксации и удержания, обезвоживания и формования, деаэраторы и пеногасители, а также биоциды и химикаты для промывки сукон и сеток машины влияют на производительность машины (процессные химикаты), а проклеивающие реагенты, компоненты для мелования, красители и оптические отбеливатели, упрочнители бумаги и картона во влажном и сухом состоянии, минеральные наполнители помогают изменить потребительские свойства продукции (функциональные химикаты). Рассмотрены мировые тенденции в использовании химических продуктов. Выполнен анализ химических групп с точки зрения их энергии когезии. Разработана контрольная карта эффективности работы машин и предложены общие принципы повышения производительности машин.

Таблица 1. Основные химико-технологические процессы в мокрой части машин и на клеильном прессе.

Исследования, кроме анализа цикла водооборота машин, баланса воды и волокна, включают анализ электрокинетических параметров массы по потоку:

§ Электрокинетического (дзета) потенциала поверхности частиц бумажной

массы и потенциала течения,

§ Катионной потребности массы,

§ Электропроводности суспензии,

§ Мутности жидкой фазы.

Из-за высокой концентрации анионных мешающих веществ в бумажной массе возможна широкая вариация значений не только степени проклейки, но и удержания мелкого волокна и наполнителя, прочности в сухом и влажном состоянии, что приводит к повышенной обрывности в мокрой части. При этом возможны два явления:

а) флуктуация эффективности химических продуктов в мокрой части,

б) флуктуация заряда частиц волокна и наполнителя.

В первом случае напрямую возрастает холостой ход в мокрой части, а отложения в мокрой части и сушке со временем все в большей мере влияют на эффективность работы машины; во втором - низкая начальная прочность полотна во влажном состоянии вследствие нестабильности связей, как между волокнами, так и между волокнами и химикатами, ухудшает процесс проводки полотна в прессовой части, приводит к коллоидной неустойчивости различных “смоляных" частиц и их укрупнению по размерам - к агломерации на прессах и в сушильной части, что в конечном итоге также ведет к росту числа обрывов. Поэтому химические добавки несбалансированной системы удержания могут сдвигать процесс образования отложений от мокрой части машины к сушке.

На основе выполненных исследований взаимосвязи электрокинетических параметров бумажной массы с химико-технологическими процессами разработаны принципы повышения производительности машин.

Принципы повышения производительности

Предварительная обработка массы фиксирующим агентом, контроль отложений.

Применение приспособленной системы удержания волокна и наполнителя, продуктов проклейки и упрочнения, обеспечение стабильных условий формования.

Выбор наилучших точек подачи химикатов с учетом особенностей технологической схемы.

Обеспечение совместимости химикатов и позитивного синергизма их действия.

Процессы фиксации, удержания, упрочнения, обезвоживания и формования представлены в зависимости от параметров электрокинетического состояния бумажной массы. Одновременно изменение этих параметров показано во взаимосвязи с различными машинными и технологическими факторами. Рассмотрены механизмы упрочнения структуры бумаги и картона, в том числе с использованием новых синтетических добавок на основе поливиниламина (ПВАм), процессы деаэрирования и проклейки массы. Представлен анализ факторов с примерами из практики, влияющих на результаты проклейки с клеями на основе алкилкетендимеров (АКД), выполнены исследования реакции АКД с различными волокнистыми композициями.

Из анализа работы предприятий по уровню катионной потребности (в мг ПолиДАДМАК / л) волокнистая суспензия разделена на четыре класса:

· низкая - до 200 мг/л

· средняя - 200 - 500 мг/л

· высокая - 500 - 1000 мг/л

· очень высокая - свыше 1000 мг/л

Для достижения одного и того же уровня удержания на сетке машины мелкого волокна при разной концентрации мешающих веществ требуется разный расход полимеров (Рисунок 2).

Показано, что для повышения производительности машин требуется выполнение ряда обязательных технологических условий (Таблица 2).

макулатура химическое вспомогательное вещество

Таблица 2. Технологические условия для повышения производительности машин.

Представлен общий принцип нейтрализации и фиксирования анионных загрязнений применением полимеров-фиксаторов. По этой концепции начальное взаимодействие имеет место между поликатионным фиксирующим агентом и полианионным мешающим веществом с формированием полиэлектролитного комплекса с положительным зарядом. Далее этот комплекс фиксируется на волокне (Рисунок 3). Правильный выбор фиксатора по плотности заряда, молекулярной массе и химической структуре обеспечивает достаточную прочность связей фиксирования на потоках машин.

Рисунок 2: Расход полимеров и удержание мелкого волокна в зависимости от уровня катионной потребности массы.

Показано, если дозировать фиксирующий агент с постепенным повышением его расхода и измерять прозрачность дисперсионной среды в каждом варианте дозировки, то на диаграмме”прозрачность фильтрата - расход фиксирующего агента” до определенной дозировки происходит снижение прозрачности, а затем скачкообразное ее повышение (Рисунок 4).

Полиэлектролитный Поверхность Зафиксированный

Комплекс волокна комплекс

Рисунок 3: Механизм фиксирования полиэлектролитного комплекса на волокне.

Такой характер диаграммы означает, что на первом этапе происходит формирование полиэлектролитного комплекса, а далее его фиксирование на дисперсной фазе. Следующим этапом после фиксирования должно быть удержание образованного комплекса в бумажном полотне так, чтобы не происходило его разрушение с последующими отложениями на разных участках машины. Сложившаяся подобранная двух - трехкомпонентная система процессных химикатов позволяет стабилизировать электрокинетические параметры массной суспензии, соответственно, условия формования в мокрой части машин и качество готовой продукции, создать предпосылки для снижения холостого хода машин (Рисунок 5).

Рисунок 4: Изменение мутности фильтрата массы в процессе внедрения новой химической технологии.

Рисунок 5: Стабилизация катионной потребности массы из напорного ящика.

Одновременно из графиков исследований можно сделать вывод, что при внедрении новой технологии есть период времени до начала эффективного действия системы химикатов. В зависимости от схемы водооборота предприятия, его продолжительность по данным практики может составлять от одних до семи суток. Рассмотрен процесс удержания мелкого волокна и наполнителя во взаимосвязи с электрокинетическими характеристиками, мостиковый и мозаичный механизмы удержания, методы оценки обезвоживания массы при использовании различных химических продуктов и их сочетаний. На основе понятия энергии когезии химических групп вспомогательных веществ обоснован выбор химикатов для технологии, в том числе многокомпонентных систем для высокоскоростных машин. Поскольку одновременно со снижением молекулярной массы уменьшается и энергия когезии функциональных групп химикатов, для компенсации необходимо найти продукты с энергетически более активными химическими группами и плотностью заряда. Наиболее эффективно использовать сочетания разных по свойствам химических добавок, разной химической структуры. Причем если продукты имеют функциональные группы с высокой энергией когезии и низкую молекулярную массу, они обладают большей активной поверхностью взаимодействия с частицами массной композиции, в том числе анионными мешающими веществами, массным клеем, крахмалом, мелким волокном, также улучшая связи в формирующемся полотне с лучшим просветом. В результате самой эффективной может быть как минимум двухкомпонентная система средств фиксации - удержания. Рекомендованы принципы выбора химических продуктов фиксации - удержания по плотности заряда и молекулярной массе для технологии при разных условиях производства. Менее интенсивное флокулирование волокон и агломерирование присутствующих анионных веществ способствует в данном случае лучшей адсорбции цепочек ПАА прежде всего на мелких фракциях волокна и вытеснению-перегруппировке ассоциатов воды с их поверхности.

Рисунок 6: Взаимосвязь молекулярной массы и плотности заряда химических вспомогательных веществ с формованием бумажного полотна.

В аналогичных условиях при тестах с катионными ПАА, у которых линейные цепи имеют связи между собой, - поэтому нельзя известными способами измерить молекулярную массу полимера, - так что молекулы более устойчивы к высокой электропроводности массы, но не к высокой катионной потребности, выявился тренд лучшей водоотдачи массы при использовании продуктов с более высокой плотностью заряда. Вероятно, причина в том, что флокулы более однородны по размерам, адсорбция такого типа ПАА выше и прочнее на длинноволокнистых фракциях, а “мостики” с частицами волокна простираются гораздо дальше, чем у ПАА с линейными макромолекулами.

Показано влияние молекулярной массы и плотности заряда химических вспомогательных веществ на процесс формования полотна как следствие удержания, флокулирования и обезвоживания (Рисунок 6).

Предложена методика оценки обезвоживающей способности массной суспензии. Вместо обычного метода с выстраиванием диаграммы зависимости ”время ф, сек = f (объем отобранного фильтрата V, мл) ” предложено использовать зависимость V = f (ф). Из результатов обработки практических измерений такие графики с помощью компьютерной программы MathCAD с достоверностью 95% описываются при положительных значениях аргумента полиномом третьей степени типа V = к? ф і + к? ф І + к? ф. Определив производную dV / dф из соответствующего уравнения-полинома, строятся графики изменения скорости водоотдачи по вычислениям данных на БДМ / КДМ при применении сочетаний полимеров. По таким графикам можно оценить скорость как в начальной стадии обезвоживания массы, так и далее в динамике. Другой формой диаграммы может быть график dV/dф = f (V) (Рисунок 7). В уравнении Козени-Кармана, характеризующем скорость фильтрования через фильтрующую перегородку, производная dV / dф зависит от режима работы оборудования и параметров волокнистого слоя, в значительной степени от его пористости, уменьшение которой резко повышает сопротивление обезвоживанию, а также от свойств сжимаемости слоя. Таким образом, по данным статистики и выполненным диаграммам можно судить о влиянии сочетаний химических добавок по всей мокрой части машины на эффект водоотдачи массой и в целом обезвоживания.

Качественное формование означает получение микрофлокул бумажной массы; флокулянты и другие удерживающие/обезвоживающие химические продукты имеют при этом как положительное, так и отрицательное влияние. При микрофлокулировании можно получить дополнительный эффект обезвоживания в прессовой части. Если полотно содержит макрофлокулы твердой фазы, то под давлением в зонах прессования идет их сжатие, а после снятия давления силы упругости волокна стремятся вернуть форму флокул, которые впитывают воду и воздух в полотно. Такой неоднократно повторяющийся процесс может значительно влиять на качество конечной продукции. Задача: химикаты должны обеспечивать качественное формование. Для экспресс-анализа водоотдачи массы предложены диаграммы относительной водоотдачи массы в координатах “ фн / фт - Vi, мл”, где

фн - время истечения Vi - объема жидкости до применения добавок, сек,

фт - время истечения Vi - объема жидкости с применением химических

добавок, сек,

Vi - объем отбираемого из аппарата фильтрата, мл.

По практическим данным представлены зависимости обезвоживания и водоотдачи от электрокинетических параметров массы, как на Рисунках 8,9.

Рисунок 7: Скорость водоотдачи массы из напорного ящика БДМ.

Рисунок 8: Зависимость водоотдачи массы от величины электропроводности.

С улучшением водоотдачи, по данным измерений электрокинетических параметров массы, до оптимального уровня, снижением расхода энергоресурсов, повышением сухости полотна после мокрой части и повышением прочности полотна во влажном состоянии появляются условия для того, чтобы адекватно повысить скорость БДМ / КДМ. Такой комплексный подход к вопросу подъема производительности показывает роль химической технологии как важного, активного фактора воздействия на результаты функционирования машин в целом.

Рисунок 9: Зависимость относительной водоотдачи массы из напорных ящиков БДМ/КДМ от уровня катионной потребности.

По требованиям производства часто важно повысить внутренние и поверхностные прочностные свойства конечной продукции, чтобы обеспечить надежность функционирования машины на оптимальной скорости. Предложены как известные, так и новые принципы упрочнения внутренней структуры бумаги и картона:

§ Самостоятельное или совместное применение натуральных и новых синтетических упрочнителей с высокой энергией когезии с дозировкой в массу или на поверхность полотна, либо комбинированием в массу и на поверхность.

§ Использование принципа аддитивности новых высококатионных продуктов (фиксирование с фиксатором - удержание и упрочнение с фиксатором в двухкомпонентной системе).

§ Использование функциональных и процессных химикатов разного заряда (катионный-анионный), различной химической природы (“крахмал-ПАА”, “крахмал - полиамидоаминэпихлоргидриновая смола”), новых систем “ПВАм-ПАА”, ”ПВАм-ПЭИ" с высокой энергией когезии продуктов.

§ Использование принципа контрастности зарядов химикатов при совместном применении (сильнокатионный-сильноанионный) для перегруппировки связей между волокнами, исходя из того, что новое связеобразование будет основано на оптимальном энергетическом минимуме и образуется более прочный комплекс связей.

§ Учет собственной анионности компонентов бумажной массы для более прочного связеобразования; вероятно, поверхность бумагообразующих волокон, мелкого волокна, гемицеллюлоз, фибрилл ограничена для применения высокой дозировки химических продуктов, поэтому надо усилить фибриллирование волокон на стадии размола, найти новые химикаты и пути преобразования связей между компонентами массы.

Последнее объясняется тем, что применение одного продукта для упрочнения (катионный крахмал, катионный или анионный ПВАм, катионный ПАА) недостаточно эффективно, поскольку результат упрочнения ограничивается

реверсией заряда (возможностями заряда поверхности волокна),

энергией когезии одного продукта, ограниченным количеством и ограниченной поверхностью фибрилл, мелких волокон и анионно заряженных гемицеллюлоз,

фактором, что избыточное количество катионного или анионного упрочнителя не имеет анионного или катионного партнера, чтобы взаимодействовать и формировать высокоэффективные и прочные комплексы с компонентами массы.

Выделены два важных управляемых процесса, влияющих на связеобразование: катионная потребность массы и размол или фибриллирование волокна (Рисунок 10).

Рисунок 10: Формирование прочности в сухом состоянии на примере водородных связей упрочнителя с волокном.

Важным моментом в процессе формования полотна является освобождение связанного с волокном воздуха. Частицы воздуха и пена приводят к флотации мелкого волокна; с мелочью в свою очередь связано до 70% дозируемых химикатов, то есть повышенное воздухосодержание массы влияет в целом на эффективность работы машин. Современные БДМ/КДМ оснащены оборудованием деаэрации массы, так что удается снизить общее содержание до ограниченного минимума, но все же не ниже 0,5 - 1,0 объемных процента. Дозировка в массу средней концентрации специального деаэратора позволяет снизить содержание адсорбированного и растворенного воздуха в массе до минимума. Движущей силой деаэрации массы является увеличение поверхностного натяжения жидкости на границе раздела фаз”воздух-вода”, что в конечном итоге приводит к увеличению частиц пены, “пузырьков” воздуха до их разрушения.

Рассмотрены вопросы технологии проклейки в массе клеями на основе АКД и алкенил-янтарного ангидрида (АСА). Отмечено, что в условиях средней и выше катионной потребности массы, если отсутствует надежная система фиксации и удержания, нет оснований для стабильной проклейки как с канифольными клеями, так и с АКД - и АСА - клеями. Подробно рассмотрены факторы эффективного использования клеев на основе АКД с результатами практических испытаний с выдачей рекомендаций.

По результатам выполненных исследований реакции АКД-клея с волокнистыми композициями при производстве двух разных видов бумажной продукции: офсетной бумаги массой 1 мІ 50, 65, 90, 120 грамм из 100% беленой сульфатной хвойной и лиственной целлюлозы с химически осажденным карбонатом кальция в качестве наполнителя, с зольностью 12 - 16% (Рисунок 11), и тест-лайнера массой 175 г/мІ из 100% макулатуры разных сортов, - сделаны следующие выводы:

§ В обоих практических случаях результат проклейки определяет содержание химически связанного с волокном АКД.

§ Если в случае офсетной бумаги химически не связанный АКД не влияет на результат проклейки, то при производстве тест-лайнера отрицательно влияет на показатель впитываемости продукции.

§ С ростом содержания гидролизованного АКД в готовой продукции результаты по впитываемости ухудшаются и приводят к эффекту исчезающей проклейки.

§ С ростом зольности офсетной бумаги выше доля химически связанного АКД; доля этой части АКД в тест-лайнере ниже, чем в офсетной бумаге; в целом для проклейки тест-лайнера требуется примерно на 20% АКД-клея по дозировке больше даже при эффективном удержания клея.

В российскую практику автором внедрены новые эффективные АКД-клеи с амфотерным защитным коллоидом, - новый класс продуктов, - что особенно важно в производстве ксероксной и других офисных видов бумаг в сочетании с поверхностной проклейкой. Они имеют высокую концентрацию и могут содержать 150-200% защитного коллоида относительно АКД-воска, что значительно ограничивает тенденцию гидролиза и миграции частиц АКД по сравнению с традиционными клеями. В присутствии анионных загрязнений применение блокирующего фиксирующего агента активизирует действие химикатов с мостиковым механизмом действия (крахмала, ПАА), в том числе и в отношении лучшего удержания частиц АКД-клеев на волокнах.

Рисунок 11: Впитываемость офсетной бумаги в зависимости от расхода и удержания АКД.

Во втором разделе рассматриваются вопросы ресурсосбережения на основе принципов рациональной химической технологии, в том числе с использованием известных вспомогательных химических продуктов для улучшения электрокинетических параметров массной композиции по всему потоку производства, улучшения условий функционирования машин; в частности, с применением хелатирующих реагентов в цехах подготовки полуфабрикатов. Подробно представлены механизмы взаимодействия катионных фиксирующих добавок и крахмалопродуктов для снижения расхода последних и повышения их эффективности действия, так как использование катионных крахмалопродуктов, в первую очередь для упрочнения структуры полотна, ограничивается довольно низким собственным удержанием на волокне, особенно на вторичном, не превышающем 40 - 60%, даже при благоприятных условиях производства. Добавки вспомогательных фиксирующих веществ позволяют повысить удержание катионного крахмала вплоть до 90% с ростом механической прочности полотна либо снизить дозировку крахмалопродуктов в массу. В случае высокой катионной потребности массы отрицательно заряженные частицы анионных мешающих веществ препятствуют взаимодействию молекул катионного крахмала с волокном, а высокая электропроводность мешает адсорбции катионных химических веществ на волокне и повышению как собственно общего удержания, так и удержания крахмала. Вместе с тем крахмалопродукты могут эффективно использоваться для повышения механической прочности бумаги и картона из первичных и вторичных полуфабрикатов при совместной дозировке с катионными фиксаторами в массу. При этом возможны два варианта усиления действия крахмала с их помощью:

§ Повышение плотности заряда крахмала за счет взаимодействия катионного полимера с анионными фосфатными группами,

§ Нейтрализация анионных мешающих веществ в массе за счет катионных химических добавок и повышение таким образом адсорбции крахмала на волокне.

Рассмотрена взаимосвязь ресурсосбережения с эффектами синергизма действия химических продуктов. Под термином “синергизм действия” химических продуктов подразумевается повышение положительного эффекта химико-технологического процесса от совместного действия химикатов.

В третьем разделе рассмотрены вопросы совершенствования точек дозирования химических продуктов с целью повышения эффективности действия, применение новых синтетических упрочнителей вместо натуральных и совершенствование технологии проклейки клеями на основе канифоли с фиксирующими и удерживающими клей добавками на основе модифицированного ПЭИ и ПВАм. Показаны преимущества дозировки химических продуктов в одной плоскости разреза коллектора напорного ящика БДМ, в разные точки по длине коллектора, совместной дозировки двух совместимых компонентов разной химической структуры в одну точку дозировки.

На ряде российских и украинских предприятий крахмал впервые был успешно заменен на синтетический упрочнитель на основе ПВАм. Программа первичных исследований на производстве включала различные варианты по точкам дозирования упрочнителя и применения процессных химикатов в технологии: ПВАм, модифицированного ПЭИ, ПАА. Технология стала успешной, несмотря на присутствие только катионно заряженных веществ; показатели механической прочности гофробумаги и картона повысились на 50 - 80%. Сильная замкнутость цикла водооборота с расходом свежей воды не более 6 - 13 мі/т повышала анионность системы, так что действие продуктов ПВАм и модифицированного ПЭИ на каждом этапе способствовало эффекту упрочнения без перезарядки поверхности волокна. При добавке синтетического упрочнителя к напорному ящику вместе с ПЭИ, а также в массу средней концентрации после смесительного насоса, исключив из системы удержания катионный ПАА, выявились два положительных, можно сказать, последовательно связанных фактора, которые обусловили наиболее эффективное действие упрочнителя:

а) обработка макулатурной массы средней концентрации частицами высококатионного, с низкой молекулярной массой, с высокой энергией когезии ПВАм способствовала нейтрализации и фиксации анионных веществ, что обеспечило более мелкие, мягкие, однородные флокулы, увеличенную поверхность взаимодействия волокон, и инициировало не столь быстрое, как в крафт-целлюлозных композициях, мостикообразование с новым упрочнителем;

б) после рефлокулирования, - в результате прохождения массы через насосы и сортировки, после разбавления, - волокна за счет водородных и других типов связей взаимодействовали с микрочастицами модифицированного ПЭИ с созданием микрофлокул, так что мостиковая связь волокна и упрочнителя стала более прочной вследствие большей поверхности взаимодействия и перехода адсорбированной на волокне воды в свободное состояние.

На основании выполненной работы сделаны следующие выводы:

§ Использование синтетического упрочнителя по эффекту адекватно упрочняющему действию крахмала.

§ Синтетический упрочнитель более эффективен, чем натуральный, вследствие высокого собственного удержания и прочности связей с волокном.

§ Совместное применение натурального и синтетического упрочнителей снижает затраты на химические продукты.

§ Предпочтительным местом дозирования синтетического упрочнителя для данных конкретных условий производства является коллектор напорного ящика КДМ с достижением лучшего качества формования полотна, либо равномерное распределение его дозировкой в массу средней и низкой концентрации.

§ В двойной системе удержания синергетический эффект синтетического упрочнителя на основе ПВАм выше, чем эффект использованного ПАА, если иметь в виду свойства механической прочности продукции, формование и удержание на сетке машины.

Хотя в России преобладает выполнение процесса проклейки в кислом диапазоне рН, мировая тенденция движения к нейтральному интервалу, в том числе с клеями на основе канифоли, находит реализацию и в нашей стране. Учет особенностей их применения позволяет снизить затраты на химические продукты и очистку сточных вод. Представлены результаты промышленного применения продуктов на основе модифицированного ПЭИ и ПВАм, ПАА и ПВАм в процессах канифольной проклейки массы с экономией канифоли и глинозема, стабилизацией и приростом качества многослойного тест-лайнера и двуслойного картона-лайнера из древесной массы. При выборе химических вспомогательных веществ для технологии учитывалось, что более высокий катионный заряд и низкая молекулярная масса химического продукта повышает вероятность его прямого взаимодействия с поверхностью волокна, а более низкий катионный заряд и высокая молекулярная масса увеличивает вероятность начального взаимодействия в жидкой фазе со всеми коллоидными веществами, включая частицы канифольного клея; таким образом, высока вероятность агломерации анионных мешающих и смоляных веществ из жидкой фазы при применении ПАА самостоятельно и, соответственно, вероятность снижения эффективности работы машины. Во втором случае оптимизация расходов химиката с большей энергией когезии и бульшими возможностями образования водородных связей (высококатионный ПВАм) и химиката с лучшей флокулирующей способностью (низкокатионный ПАА) позволила полностью исключить канифольный клей при улучшении и стабилизации впитываемости картона, снизить расход глинозема в 3,5 - 4 раза, повысить свойства механической прочности картона-лайнера (Рисунок 12).

Рисунок 12: Изменение расходов ПВАм и ПАА в процессе производства картона-лайнера из древесной массы при оптимизации качества.

Четвертый раздел посвящен внедрению результатов исследований и практической оптимизации химической технологии в мокрой части машин при производстве стандартной газетной бумаги на предприятии ОАО”Волга”, стандартной и улучшенного качества газетной бумаги на ОАО “Mondi Business Paper-Сыктывкарский ЛПК“, влагопрочной бумаги на ОАО“Троицкая БФ”. Раскрыта концепция повышения скорости машин. В разработанной методике с применением многофакторного статистического анализа особый упор делается на такие значимые процессы и факторы, как приспособленная эффективная система удержания, обезвоживание и катионная потребность массы, сухость и влагопрочность бумажного полотна после прессовой части.

На основе исследований составлена диаграмма для выбора химических продуктов фиксации-удержания-упрочнения с ростом катионной потребности и электропроводности массы (Рисунок 13). Рассмотрены направления улучшения качества и ассортимента газетной бумаги. На примерах совершенствования химической технологии производства газетной бумаги показаны возможности роста эффективности работы машин. Выявлено различие в электрокинетическом состоянии бумажной массы с наполнителем и без него. Направления развития производства газетной бумаги в мире предусматривают использование катионного крахмального клея, как упрочнителя структуры полотна, и двухкомпонентной системы удержания из продуктов ПЭИ и ПАА с линейными молекулярными цепочками. Автором эти системы дополнены фиксирующим агентом с использованием минимальной дозировки крахмала или без его использования, применены новые ПАА с разветвленной структурой макромолекул и продукты на основе ПВАм вместо ПАА.

Рисунок 13: Диаграмма для выбора продуктов фиксации-удержания-упрочнения с ростом катионной потребности и электропроводности массы.

Целенаправленная работа по внедрению новой технологии в цехе производства полуфабрикатов и на БДМ-15 ОАО”Mondi Business Paper-Сыктывкарский ЛПК" с использованием многофакторного статистического анализа привела к существенному экономическому эффекту и приросту скорости машины для всего ассортимента продукции: газетной бумаги 45 г/мІ,

48,8 г/мІ и типографской бумаги 55, 60 г/мІ (Рисунок 14). Выявление роли каждого химического компонента в технологии способствовало всестороннему улучшению работы машины. Высокие уровни катионной потребности и электропроводности массы, начиная от полуфабрикатов и на стадиях подготовки массы на машине, были резко снижены (Рисунок 15). Новая химическая технология по всему потоку “БДМ-15/цех полуфабрикатов” позволила существенно улучшить показатель пылимости газетной бумаги при печати. Дополнительно производство бумаги повысилось за счет снижения холостого хода и внеплановых простоев.

Благодаря выполненным технико-технологическим мероприятиям уровень катионной потребности массы стал благоприятным для функционирования машины и для снижения дозировки химикатов. Расход химических продуктов фиксации-удержания непосредственно на БДМ по удельным затратам снизился в 1,5 - 2,0 раза, не менее 6,0 кг с. в. /час.

Рисунок 14: Повышение скорости БДМ-15.

Рисунок 15: Изменение катионной потребности массы на БДМ-15.

Новые точки дозирования, подбор химикатов с учетом их синергетических эффектов, использование экологически безопасного фиксатора - это новое в технологии влагопрочных видов бумаг для упаковки пищевых продуктов с относительной влагопрочностью 12 - 30% на ОАО”Троицкая БФ”.

С изменением точек дозирования и порядка подачи химикатов, внедрением системы фиксации-удержания изменился принцип взаимодействия клея с волокном, как и ход реакции этерификации между алкилкетендимером и волокном, соответственно, но в положительную сторону. Частицы АКД-клея с амфотерным защитным коллоидом стали иметь более благоприятные условия для участия в прямой реакции с волокном.

Рисунок 16: Оптимизационная диаграмма влагопрочности.

Во-вторых, применение экологически безопасной, - без содержания свободного, не связанного формальдегида, - полиамидоаминэпихлоргидриновой смолы (ПАЭХГС) также способствовало лучшему эффекту упрочнения бумаги во влажном состоянии со значимо меньшим расходом реагента. Достигнута высокая корреляция между суммарным расходом фиксирующего агента и ПАЭХГС в единицах сухого вещества и относительной влагопрочностью, что указывает на сбалансированность технологии, в отличие от начального электрокинетического состояния волокна в технологии, когда не удерживавшаяся большая часть смолы способствовала перезарядке поверхности волокна. Разработанная оптимизационная диаграмма расхода химических компонентов и влагопрочности бумаги позволила найти правильные дозировки химических продуктов с учетом параметров электрокинетики массы, когда дзета - потенциал поверхности беленого целлюлозного волокна и потенциал течения остаются отрицательными гораздо ниже изоэлектрической точки (Рисунок 16). Благодаря новому маркетингу предприятие расширило ассортимент выпускаемой продукции, освоив производство влагопрочной бумаги массой 30 - 40 г/мІ на рекордной скорости 520 - 505 м/мин. За период работы по новой технологии скорость машины выросла для всего ассортимента.

В пятом разделе отдельно рассмотрены вопросы практического внедрения рациональной технологии на предприятиях с переработкой макулатуры: ОАО”Алтайкровля”, ООО”Пермский Картон”, ОАО”Ступинский КПК”, ОАО”Киевский КБК”.

Полностью модернизирована технология на ОАО”Алтайкровля" с химикатами вместо канифольного клея с большим расходом сернокислого алюминия применением АКД-клея, ПВАм-фиксатора, синтетического упрочнителя в сочетании с модифицированным ПЭИ или низкокатионным ПАА вместо натурального крахмала, в зависимости от задач, решаемых производством. Пункты себестоимости вырабатываемого гофрокартона изменились полностью, в том числе по затратам на полуфабрикаты, бумагу и картон, на энергоносители, очистку сточных вод, платежи за сбросы во внешние водоемы, при сохранении прежнего уровня себестоимости. Существенный позитивный скачок произошел по стоимости качества продукции и снижению массоемкости продукции. При особом внимании на качество формования бумажного полотна, чему способствовал и комплекс химикатов для технологии, скорость машины возросла втрое с 70 м/мин до максимального уровня по параметрам оборудования; расширился рынок сбыта бумажной продукции и гофротары. В Таблице 3 приведены параметры бумажной массы и экономии ресурсов. В результате прироста удержания достигнута существенная экономия волокна; прекратились сверхнормативные сбросы со сточными водами с более низкими показателями по химическому и биологическому потреблению кислорода.