Облагораживание макулатуры в производстве бумаги

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.

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

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).