авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Облагораживание макулатуры в производстве бумаги

-- [ Страница 2 ] --

Используя данные А.А. Аскадского по инкрементам энергии отдельных атомов и групп атомов гемицеллюлоз (в качестве гемицеллюлоз взято одно соединение полисахаридов (пентозаны (С5H8O4)n), получили следующие результаты:

,

, .

Т.к. параметр растворимости воды равен гемицеллюлозные пленки, образованные на поверхности волокон, растворяться не будут. Это и подтверждается экспериментально, поскольку для набухания различных макулатур требуется очень большое время.

Для ускорения растворения монопленок на поверхности волокон и улучшения бумагообразующих свойств макулатуры в работе предлагается гидротермическая обработка не водой, а раствором щелочи, параметр растворимости которого наиболее близок к параметру растворимости монопленки. Для раствора NaOH в воде с концентрацией 1,5 % параметр растворимости равен . Т.е. расчеты параметра растворимости гемицеллюлоз (пентозанов) и 1,5 %-й щелочи показывают их удовлетворительную сходимость. Это может означать, что роспуск макулатуры и ее последующий размол осуществляется не только за счет образования свежих поверхностей, но и за счет разрушения образованных при получении бумаги водородных связей между волокнами, фибриллами и т.д., а также растворения образованных при сушке бумаги монопленок в горячем низкоконцентрированном водном растворе щелочи.

Мокрая целлюлоза находится в высокоэластическом состоянии, а сухая застеклована. При сушке целлюлозы происходит изменение физического состояния. Происходящее за счет удаления пластификатора (воды) стеклование целлюлозы осуществляется в условиях значительных усадочных напряжений.

Общеизвестно, что усадочные напряжения , возникающие в высыхающих гидрофильных системах, являются суммарной величиной ряда напряжений, отнесенных к соответствующей площади поперечного сечения абсолютно сухого вещества твердой фазы, образующей структуру (рисунок 8).

, (1)

где - сжимающее напряжение, обусловленное только поверхностным натяжением жидкости на периметре поперечного сечения испытуемого образца;

- напряжение капиллярных сил, действующих в плоскости поперечного сечения на линии пересечения всех встречающихся там менисков;

- напряжение упругого сопротивления структуры;

- напряжение когезионного и адгезионного взаимодействия в точках вторичных контактов, возникающих при сближении элементов структуры в процессе высыхания.

Возникновение и развитие усадочных напряжений в бумаге и картоне имеют существенные особенности. Литературные данные по этому вопросу крайне ограничены и противоречивы.

В связи с этим одной из важных задач, поставленных в диссертации, явилось рассмотрение вклада каждой составляющей усадочных напряжений в образовании структуры, прочностных показателей бумаги и картона и возможность перехода из застеклованного состояния в высокоэластическое и наоборот, и на основании этого объяснить причины возникновения явления «необратимого ороговения».

Первая составляющая усадочных напряжений вызывается силами поверхностного натяжения воды между отдельными структурными элементами бумажного полотна (волокна, фиблиллы, микрофибрилы и др.).

Усадка между волокнами проявляется в процессе сушки задолго до появления внутренней усадки (внутри волокна), так как в это время испаряется только капиллярная, свободная влага, пропорционально количеству которой изменяется величина усадки. Величина усадки характеризует плотность структуры и, следовательно, способность бумаги к повторному роспуску.

Рисунок 8 – Механическая модель действия молекулярных сил в высыхающих системах

Величина сжимающего напряжения на единице площади, обусловленного поверхностными натяжениями жидкости, определяется величиной периметра смачивания . Силы поверхностного натяжения действуют в межволоконном пространстве, стягивая волокна между собой, в результате чего расстояние между волокнами уменьшается. Для суспензий, состоящих из частиц различного размера (волокна, фибриллы, частицы наполнителя, клея и т.п.), очень сложно оценить размер частиц и пор. Поэтому в работе предлагается использовать величину удельной поверхности.

Удельная поверхность есть поверхность волокон, отнесенная к единице объема твердой фазы. Величина внешней поверхности волокон сильно зависит от их диаметра (толщины).

Из многочисленных способов определения удельной поверхности в работе использован метод Робертсона и Мэзона, основанный на принципе фильтрации через волокнистый слой.

, (2)

где - пористость;

- коэффициент фильтрации;

- вязкость.

Результаты определения удельной поверхности по формуле (2) и сжимающих напряжений представлены в таблице 1.

Сжимающее напряжение от поверхностного натяжения на единице поверхности рассчитано по формуле и действует до тех пор, пока в бумажном полотне имеется свободная вода, т.е. до сухости 65-70 %. После этого пленка воды разрывается, и сушка идет за счет удаления гидратной и капиллярной влаги.

Таблица 1 – Значение удельной поверхности сульфатной небеленой целлюлозы

Степень помола , м2/м3 , м/с Сжимающее напряжение, МПа
20 40 60 80 1,1 5,1 12,0 16,0 0,730 0,630 0,110 0,085 0,065 0,300 0,710 0,960

По мере испарения жидкости в порах структуры образуются микромениски – вогнутые поверхности раздела жидкость – воздух, на которых, в соответствии с уравнением Лапласа , возникает скачок гидростатического давления – так называемое капиллярное давление, которое вызывает вторую составляющую усадочных напряжений - напряжения капиллярных сил.

В таблице 2 представлены расчеты величины напряжений в структурных единицах бумаги в зависимости от капиллярного давления.

Таблица 2 – Результаты расчетов изменения капиллярного давления

Размер капилляра, мкм Содержание воды, %
30 25 20 15 10 5
30 Капил-лярные силы, МПа 0,03 0,04 0,05 0,06 0,10 0,20
2 0,50 0,57 0,73 1,00 1,50 3,40
0,2 4,70 5,40 7,30 10,30 14,00 34,00
0,01 94,79 111,60 140,61 186,72 285,20 570,30

Третьей составляющей усадочного напряжения является напряжение упругого сопротивления структуры , противодействующее остальным составляющим усадочных напряжений.

Используя представления о возникновении и развитии напряжений при воздействии на бумажное полотно сил поверхностного натяжения и капиллярных сил, поведение бумажного полотна во время сушки можно описать с помощью реологических моделей.

В первоначальный период сушки, когда в бумажном полотне находится свободная и капиллярная влага, волокна макулатуры находятся в высокоэластическом состоянии. В этот период сушки (до влажности 29 %) волокна, находясь в высокоэластическом состоянии, обладают низким модулем упругости и низкой вязкостью. Если процесс сушки в этот период идет настолько быстро, что в бумажном полотне за счет деформации волокон возникли напряжения, которые не успели отрелаксировать, и часть деформации волокон «заморозилась» за счет возникших с другими волокнами связей, то в этом случае мы имеем релаксирующую среду, которую можно описать реологической моделью Максвелла, (рисунок 9).

Рисунок 9 – Условное изображение модели Максвелла

Деформация пружины определяется уравнением

. (3)

Для идеально вязкой среды (среды Ньютона) – уравнением

. (4)

Для модели Максвелла напряжения в пружине и амортизаторе одинаковы, а деформация равна сумме деформаций этих элементов

. (5)

Дифференцируя уравнение (5) и подставляя значения из (3) и (4), получим

. (6)

При испытании модели Максвелла на релаксацию напряжения в бумажном полотне спадают во времени по экспоненциальному закону, стремясь при к нулю с постоянной времени , называемой временем релаксации.

В модели Максвелла существуют два различных механизма релаксации: механизм упругой релаксации и механизм течения. Относительное значение роли упругости и вязкости зависит не только от величин и , но также и от времени экспериментального исследования (шкалы времени эксперимента).

Записав уравнение (6) в форме

, (7)

, (8)

увидим, что если напряжение действует на модель Максвелла в течение времени , много больше, чем время релаксации (шкала времени модели) т.е. , то действие механизма вязкого течения будет сказываться намного больше, чем механизма упругости.

Из (8) при . Если , то действие механизма упругости сказывается значительно сильнее, чем действие механизма вязкости, что видно из (7), где при .

При испытаниях за короткий промежуток времени, когда экспериментальная шкала времени много меньше шкалы времени модели , модель Максвелла ведет себя как идеально упругое тело.

При очень длительных испытаниях модель Максвелла ведет себя как идеально вязкая жидкость. Когда же , наблюдается явно выраженное действие как механизма упругости, так и механизма вязкости (течения).

Физический смысл объяснения представленной реологической модели заключается в следующем: при высокой скорости сушки время сушки бумажного полотна уменьшается. Количество удаляемого пластификатора (воды) в единицу времени возрастает. В волокнах, наряду со скольжением друг относительно друга, возникают упругие деформации, препятствующие уплотнению бумажного листа. Релаксация напряжений в волокнах не успевает за удалением пластификатора. Поэтому к концу сушки (свободная влага полностью удалена, волокна из высокоэластического состояния перешли в застеклованное) напряжения упругого сопротивления возросли, и структура бумажного полотна получается рыхлая с большим содержанием пор и с низкой прочностью из-за сниженного количества контактов между волокнами. Процесс образования рыхлой и непрочной структуры еще более усиливается, если время релаксации велико.

По данным В.И. Комарова, для бумаги из сульфатной целлюлозы , а коэффициент вязкости . При переходе бумажного полотна из застеклованного состояния в высокоэластическое реологические свойства его существенно изменяются. Так, Э.Л. Аким, ссылаясь на G.M. Bryanta, указывает, что для целлюлозных материалов в воде величина модуля упругости составляет порядка 10 и вязкость порядка 104 . Учитывая, что между свойствами отливок и свойствами суспензии существует четкая корреляция, методом интерполирования можно оценить модуль упругости и коэффициент вязкости конкретного бумажного полотна для любой влажности.

При производстве мешочной бумаги на Новолялинском ЦБК время сушки при скорости буммашины 120 м/мин составляет 40 с. Время релаксации напряжений в застеклованном состоянии составляет с. Т.е. и из (7) получаем, что напряжения «замороженные» (засушенные) в структуре бумаги составляют: , где -относительная деформация бумажного полотна в сушильной части буммашины. При увлажнении такой бумаги «замороженные» упругие напряжения в волокнах способствуют роспуску бумаги на волокна. Таким образом, знание предыстории макулатуры позволяет прогнозировать способность ее к последующему роспуску при увлажнении, и, следовательно, позволяет регулировать бумагообразующие свойства путем дополнительного технологического воздействия.

Четвертой составляющей усадочных напряжений является напряжение когезионного и адгезионного взаимодействия в точках вторичных контактов, возникающее при сближении элементов структуры в процессе высыхания до расстояний 2,5-2,8 , связанном с образованием водородных связей.

Проведенные нами расчеты показали, что усадочные напряжения, возникающие в бумаге после высушивания, составляют .

Используя представления о целлюлозных волокнах как о природном полимере, применив понятие параметра растворимости теории растворов Флори и Хаггинса, в работе мы предложили обоснованную технологию обработки макулатуры для улучшения ее бумагообразующих свойств с помощью воздействия на нее слабым раствором щелочи при температуре его кипения в течение 30 мин. Результаты расчета параметра растворимости были представлены выше.

Гидродинамика процесса флотации.

Одной из важнейших задач флотационного облагораживания макулатуры является обеспечение оптимального как с точки зрения производительности, так и качества очистки макулатурной массы от типографской краски, гидродинамического режима в ячейке флотатора.

Процесс флотационного облагораживания суспензии макулатурной массы проводят при концентрации 0,8-1,5 %. При такой концентрации макулатурная масса представляет из себя структурированную систему, через которую движение пузырька воздуха ограничено, а при размерах пузырьков меньше 1мм представляет непреодолимую преграду. Таким образом, реологические характеристики волокнистой суспензии являются одним из главных факторов, влияющих на процесс флотации частиц типографской краски. В научной литературе таких данных нет.

Традиционное рассмотрение процесса флотации, в котором основное внимание уделяется физико-химическим основам формирования агрегата пузырек-частица, совершенно недостаточно для решения проблемы флотации типографской краски. Флотационная система волокно–частица краски–пузырек характеризуется довольно сложной гидродинамикой, которая совершенно не разработана. Все найденные нами работы рассматривают движение газового пузырька в дисперсной среде, подчиняющейся ньютоновскому реологическому закону, в то время как волокнистая суспензия представляет из себя неньютоновскую жидкость. Ее реологические характеристики зависят от композиционного состава, степени помола, концентрации и многих других факторов. Для того, чтобы обеспечить быстрое всплывание пузырька воздуха и эффективное взаимодействие его с частицей краски, необходимо волокнистую суспензию перевести из структурированного в диспергированное состояние. Разрушение структуры сети волокон происходит при определенных градиентах сдвига, определяемых с помощью реологической характеристики макулатурной суспензии. После разрушения структуры волокнистая суспензия ведет себя как ньютоновская жидкость, с той лишь разницей, что вязкость у нее значительно выше, чем у воды. Подобные реологические свойства среды существенно влияют на движение пузырька и в научной литературе не рассмотрены, поэтому представляют большой научный и практический интерес.

При рассмотрении особенностей движения воздушного пузырька в волокнистой суспензии в работе использована сферическая система координат (рисунок 10). Она удобна тем, что для получения реологических соотношений между параметрами можно воспользоваться методом единичной ячейки, применяющейся в теории дисперсных систем.

В результате получены решения распределения скоростей и давлений при движении пузырьков воздуха в диспергированном потоке волокнистой суспензии в любой плоскости сферической системы координат

, , ,

В работе нами получена общая модель флотации при облагораживании макулатуры, состоящая из набора дифференциальных уравнений в частных производных типа (9)-(11) с соответствующими начальными и граничными условиями, подтвержденная экспериментальными исследованиями, (рисунки 11 и 12).

Рисунок 10 – Сфера с центром в начале системы координат



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.