Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Кафедра технологии бумаги и картона

Реферат

на тему: «Теория размола»

Санкт-Петербург

2013

Содержание

• Глава 1. ТЕОРИЯ РАЗМОЛА
• 1.1 Общие сведения
• 1.2 Теория процесса размола
• 1.3 Контроль за процессом размола
• 1.4 Влияние размола на свойства бумаги
• Глава 2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС РАЗМОЛА
• 2.1 Природа волокна
• 2.2 Продолжительность размола
• 2.3Удельное давление
• 2.4 Концентрация массы при размоле
• 2.5 Величина рН среды массы
• 2.6 Температура массы
• 2.7 Добавки химических веществ при размоле
• Список литературы

Глава 1. ТЕОРИЯ РАЗМОЛА

1.1Общие сведения

Размол волокнистой массы - процесс механической обработки волокон в присутствии воды, является одной из самых важных операций бумажного производства. От размола в значительной степени зависят многие свойства бумаги. Лист бумаги, отлитый из не размолотых волокнистых материалов, имеет неравномерную структуру, низкую прочность и высокую пористость, обладает неравномерным, облачным просветом. Это объясняется тем, что сравнительно длинные жесткие волокна сплетаются в хлопья и, оседая на сетке, дают неоднородный по структуре лист. Не размолотые волокна обладают малой пластичностью, слаборазвитой поверхностью и мало гидратированы, вследствие чего такие волокна плохо связываются друг с другом в бумажном листе.

Цель размола волокнистых материалов заключается в следующем: подготовить волокнистый материал к отливу, придать ему определенную степень гидратации, сделать волокна гибкими, пластичными, увеличить их поверхность (фибрилляцией и набуханием), обеспечить лучший контакт и связь волокон в бумажном листе (придать ему прочность); придать бумажному листу путем укорочения, расщепления и фибрилляции волокон требуемую структуру и физические свойства: объемный вес, пухлость, пористость, впитывающую способность и др.

Размол ведется в присутствии воды при концентрации волокнистой массы 2--8% в размалывающих аппаратах периодического и непрерывного действия -- роллах, конических мельницах, рафинерах и др. Независимо от типа размалывающего аппарата принцип размола в волокна один и тот же. Он заключается в том, что волокнистая суспензия непрерывным потоком поступает к ножам рабочего органа аппарата, состоящего из неподвижно закрепленных ножей (статора) и вращающихся ножей, расположенных на барабане, конусе или диске (роторе). Проходя между ножами ротора и статора, зазор между которыми можно регулировать, волокна подвергаются режущему действию кромок ножей и укорачиваются или расщепляются в продольном направлении, раздавливаются торцовыми поверхностями ножей и фибриллируются.

1.2 Теория процесса размола

В результате указанных воздействий волокна при размоле в водной среде претерпевают значительные изменения как в структуре, так и в физико-химических свойствах. Бумажная масса при длительном размоле становится жирной на ощупь, она гораздо труднее отдает воду при обезвоживании на сетке бумагоделательной машины, а получаемый из нее лист бумаги отличается большей усадкой при сушке, плотностью и прочностью.

Эти изменения в свойствах массы и бумаги настолько значительны, что трудно объяснить их только одним механическим измельчением волокон. Поэтому не удивительно, что первыми теориями размола были химические теории. Их авторы Кросс и Бивен полагали, что вода при размоле вступает в химическое взаимодействие с целлюлозой, образуя желатинообразный гидрат. Отсюда и произошел термин гидратация при размоле, широко применяемый в бумажном производстве. Другой автор химической теории Швальбе полагал, что при размоле могут получаться гидро- и оксицеллюлоза, образующие слизь, которая склеивает волокна в бумажном листе при сушке .

Химическая теория размола волокнистых материалов сыграла известную положительную роль: она способствовала применению при размоле ролльных добавок (крахмала, производных целлюлозы и других гидрофильных коллоидов), ускоряющих процесс размола и повышающих прочность бумаги.

Последующие исследования, посвященные выяснению изменения химического состава волокна при размоле, показали несостоятельность химических теорий этого процесса. Исследования Кресса, Бьялковского, Керрена и других ученых показали, что химический состав волокна и его рентгенограмма при размоле не изменяются. Происходит лишь небольшое уменьшение степени полимеризации целлюлозы, увеличивается растворимость в щелочах и гидролизное число. Эти явления объясняются увеличением поверхности и доступности целлюлозного волокна для действия щелочных и кислотных реагентов, а также частичным разрушением целлюлозных цепей при длительном размоле.

Позднее была выдвинута физическая теория размола. Ее авторы Стречен и Кемпбелл пытались объяснить свойства, приобретаемые массой и бумагой при размоле, только одним физическим процессом измельчения волокон. При этом Стречен придавал большое значение процессу фибриллирования, объясняя связь между волокнами в бумаге механическим переплетением поверхностных фибрилл, а Кемпбелл -- силам поверхностного натяжения воды, под влиянием которых волокна сближаются при сушке и образуют лучший контакт друг с другом.

Физическая теория размола также не могла объяснить причину возникновения межволоконных связей в бумаге и потерю прочности ее после увлажнения. Позже эти авторы выдвинули гипотезу «частичной растворимости» целлюлозы в воде и «рекристаллизацию» целлюлозных цепей при сушке, чтобы объяснить природу межволоконных связей в бумаге.

Дж. Кларк в 1943 г. выдвинул другую теорию размола. У Стречена он взял его концепцию о фибрилляции волокна, а у Кемпбелла -- идею частичной растворимости целлюлозы в воде и действие поверхностного натяжения при сушке. Эти представления он дополнил своими наблюдениями о влиянии первичной стенки на набухание и фибрилляцию волокон. Однако и эту теорию нельзя было признать вполне удовлетворительной.

Еще раньше Я. Г. Хинчин высказал предположение, что при размоле происходит освобождение полярных гидроксильных групп у макромолекул целлюлозы, находящихся на поверхности микрофибрилл наружных стенок волокна, и что, по-видимому, через эти группы соседние волокна связываются между собой в бумажном листе. Однако это предположение ничем не подтверждалось.

В 1940 г. Эллисом и Бассом было установлено, что межмолекулярное взаимодействие между цепями целлюлозы в клеточных оболочках волокна осуществляется через гидроксильные группы за счет водородной связи. Как известно, водородная связь - особый вид межмолекулярного взаимодействия, осуществляемого атомами водорода между двумя другими электроотрицательными атомами, например кислородом, фтором, азотом или хлором. Этот вид связи проявляется у веществ, обладающих высоким дипольным характером. Энергия водородной связи находится в пределах 3-8 ккал/моль. Она значительно больше энергии связи сил Ван - дер - Ваальса, но меньше энергии химической связи.

Водородная связь через кислород типа -ОНО- возникает между атомами на расстоянии 2,55--2,75 А. Полагают, что в ориентированных участках целлюлозы гидроксильные группы целиком включены в водородную связь, а в аморфных -- частично. При намокании целлюлозного материала вода проникает в доступные участки аморфной целлюлозы и разрушает водородную связь, заменяя ее менее прочной водной связью также через водородный мостик. При дальнейшем набухании целлюлозы в отдельных ее участках образуются не только мономолекулярные, но и полимолекулярные водные пленки, причем связь между цепями ослабевает, а гибкость и пластичность волокон повышаются.

Открытие водородной связи в целлюлозных материалах сыграло важную роль в развитии современной теории размола. В основу ее положена гипотеза, что межволоконная связь в бумаге имеет ту же природу, что и межмолекулярные связи в целлюлозе. Одновременно аналогичные взгляды на процесс размола были высказаны и другими исследователями.

В современной теории размола особое значение придается слоистому, фибриллярному строению волокна, содержанию в нем гемицеллюлоз, способствующих набуханию и фибрилляции волокон. Благодаря этим процессам при размоле волокно становится гибким и пластичным, увеличивается связанная поверхность между волокнами и образуются межволоконные связи в готовой бумаге.

Процесс фибрилляции заключается в ослаблении и разрушении связей между отдельными фибриллами и микрофибриллами клеточной стенки под влиянием механических воздействий и проникновения воды в межфибриллярные пространства, т. е. в области аморфной целлюлозы, где сосредоточена главная часть гемицеллюлоз. Последние, располагаясь на поверхности фибрилл, усиленно набухают, повышая гибкость и пластичность волокон, что способствует скольжению фибрилл в клеточной стенке друг относительно друга.

Фибрилляция может происходить как на поверхности, так и внутри клеточной стенки волокна. В первом случае поверхность волокна разрушается и от нее отделяются фрагменты клеточных оболочек и фибрилл, образуя своеобразный ворс на поверхности волокна, видимый при большом увеличении микроскопа. Такая фибрилляция увеличивает наружную поверхность волокна и его способность к образованию межволоконных связей, однако она ослабляет прочность самого волокна и снижает сопротивление бумаги раздиранию. При внутренней фибрилляции отделения фибрилл не происходит, повышается лишь гибкость и пластичность волокон в результате усиленного набухания гемицеллюлоз в межфибриллярных пространствах, ослабления и частичного разрушения связей между фибриллами. Такая фибрилляция сообщает волокну способность к образованию межволоконных связей, не снижая прочности самого волокна, а потому она является более желательной.

Таким образом, можно сказать, что главное действие размола заключается в подготовке поверхности волокон для образования межволоконных связей и в придании волокнам способности связываться между собой в прочный лист, что достигается частичным разрушением и удалением наружных клеточных оболочек, приданием волокнам гибкости и пластичности вследствие ослабления и частичного разрушения межфибриллярных связей вторичной клеточной стенки (фибрилляция волокна) и усиленного набухания целлюлозного волокна и особенно гемицеллюлоз в межфибриллярных пространствах и на поверхности фибрилл (гидратация волокна при размоле).

Второе важное действие размола заключается в укорочении волокон и частичном их расщеплении по длине, что необходимо для предотвращения флокуляции волокон при листообразовании и улучшения формования, а также для придания бумаге требуемой структуры при выработке тонких, жиронепроницаемых, впитывающих и других видов бумаги.

Таким образом, механические процессы измельчения волокон обусловливают главным образом структуру бумажного листа. Благодаря межволоконным силам связи бумага приобретает плотность и прочность, а пористость и пухлость ее снижаются.

1.3 Контроль за процессом размола

Для оценки качества массы при размоле применяют различные методы и приборы. Степень помола массы в большинстве стран Европы определяют на приборе Шоппер-Риглера, в Америке, в Скандинавских странах и в Англии широко используется также и канадский стандартный прибор. На обоих этих приборах определяют способность бумажной массы пропускать через себя воду; полученные данные характеризуют степень разработки и измельчения волокон, а также степень их гидратации при размоле. Однако по показаниям этих приборов еще нельзя судить о средних размерах волокон. Среднюю длину волокна определяют на приборах Иванова, Имсета и полуавтоматическом курвиметре, на котором также определяют и фракционный состав массы по длине волокон. Визуальную оценку структуры и размеров волокон производят с помощью микроскопа и микропроекционного аппарата. Способность массы удерживать воду определяют по методу Джайме. При исследовательских работах определяют также скорость обезвоживания массы, сжимаемость, набухший объем волокна, удельную поверхность.

Для оценки структуры волокна при размоле массы пользуются микроскопом или микропроекционным аппаратом, который устанавливают в темной комнате. Изображение волокна направляют на большой экран, разграфленный на квадраты, масштаб которых позволяет оценивать волокна по длине. Однако определение средней длины волокна с помощью микроскопа сложно, требует опыта от работников и занимает много времени.

В 1946 г. Иванов С.Н. разработал метод и аппарат для быстрого определения средневзвешенной длины волокна в бумажной массе. Общий вид прибора показан на рис. 1.

Рис. 1. Прибор для определения средней длины волокна в массе:

1-рамка; 2-воронкообразный сосуд; 3-откидной клапан; 4-кружка; 5-рычажные весы

Кроме, прибора Иванова, для быстрого определения средневзвешенной длины волокна применяется также прибор Имсета. Основным рабочим органом служит вращающийся от моторчика вертикальный стержень с четырьмя тонкими спицами, расположенными перпендикулярно к стержню. Проба волокнистой суспензии протекает сверху вниз через отверстие сосуда, расположенного над вращающимися спицами, которые захватывая отдельные волокна, отбрасывают их в приемную кольцевую камеру. Вес уловленных волокон из суспензии служит мерой средней длины волокна.

В последние годы в Финляндии и Швеции были выпущены полуавтоматические приборы для определения фракционного состава массы по длине волокон. В этих приборах микроскопическое изображение волокон отбрасывается на стеклянный столик прибора, разграфленный на несколько секторов, и оператор с помощью курвиметра, снабженного мерным колесом, обводит изображения всех волокон. При этом электронный счетчик сразу суммирует результаты анализа, регистрируя отсчеты по фракциям. На основании полученных результатов фракционного состава можно вычислить среднеарифметическую и средневзвешенную длину волокна. Эти приборы дают более надежные и быстрые измерения по сравнению с измерениями, выполненными с помощью обычного микроскопа, однако они значительно уступают в скорости определения средней длины волокна на приборах Иванова и Имсета.

1.4 Влияние размола на свойства бумаги

Из рисунка видно, что в результате процесса размола возрастают силы связи между волокнами, что объясняется увеличением наружной поверхности волокон, главным образом за счет их фибриллирования Фляте. Д.М. Свойства бумаги:Учебное пособие. 5-е изд., стер.-СПб.:Изд.-во «Лань», 2012.-384 с.-121с.. Это способствует увеличению основных показателей механической прочности бумаги. Одновременно снижается средняя длина размалываемых волокон, что приводит к уменьшению величины основных показателей механической прочности бумаги.

Рис. 2. Типичное изменение основных свойств бумаги в зависимости от степени помола массы:

1-силы связи между волокнами; 2-разрывная длина; 3-сопротивление излому; 4-сопротивление раздиранию; 5-средняя длина волокон; 6-впитывающая способность; 7-воздухопроницаемость; 8-деформации при намокании.

На первой стадии размола преобладает действие факторов, которые оказывают положительное влияние на показатели механической прочности бумаги (увеличение гибкости волокон вследствие их набухания, рост сил связи между волокнами), поэтому показатели механической прочности увеличиваются. Но на некотором этапе процесса размола возрастает влияние отрицательного фактора (укорочение волокон) на прочность бумаги. Например, разрывная длина бумаги для хвойной целлюлозы достигает максимума при 70-800ШР, сопротивление излому при 50-600ШР, сопротивление раздиранию и продавливанию при 20-300ШР. Первые два показателя зависят от межволоконных сил связи, а последние показатели зависят от прочности самих волокон и от их средней длины.

Растяжимость бумаги и ее объемный вес возрастают по мере размола исходной целлюлозы, а впитывающая способность и воздухопроницаемость бумаги, снижаются по затухающей кривой.

Показатели объемного веса бумаги, впитывающей способности и воздухопроницаемости зависят в основном от сил связи между волокнами.

Из приведенных данных видно, что процесс размола целлюлозы оказывает большое влияние на все основные свойства готовой бумаги. Главными определяющими факторами при этом являются изменения размеров волокон и величины межволоконных связей в бумаге Иванов С.Н. Технология бумаги. Изд. 3-е. -М.: «Школа бумаги», 2006.-696 с.-58с..

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС РАЗМОЛА

Для получения массы нужного качества и наиболее эффективным способом необходимо умело пользоваться факторами процесса размола.

Все факторы делят на две группы:

1. Неизменные факторы - это природа влокна, химический состав, параметры размалывающего аппарата ( окружная скорость, толщина ножей, зазор между ножами);

2. Переменные факторы - температура, продолжительность размола, удельное давление на волокна при их размоле, концентрация массы, рН среды и добавки химических веществ.

Из переменных факторов главными управляемыми факторами процесса являются время размола и удельное давление при размоле. Концентрация массы является вспомогательным управляемым фактором.

2.1 Природа волокна

Волокнистые материалы обладают различной способностью размалываться: одни из них размалываются быстрее, другие медленнее, третьи совсем неспособны расщепляться. Такое различное поведение волокон при размоле зависит от морфологии и анатомии волокна, его химического состава и исходной прочности, зависящей от метода варки полуфабриката, его степени полимеризации и фракционного состава. Хвойные волокна более длинные и имеют ленточную структуру, а лиственные более короткие и трубчатые. Хвойные волокна лучше зависают на кромках ножей, быстрее набухают и лучше фибриллируются. Это наиболее универсальный волокнистый материал, применяемый для выработки разнообразного ассортимента бумаги. Лиственные волокнистые материалы подвергают в основном рафинирующему размолу без укорочения и расщепления отдельных волокон и применяют только в сочетании с длинноволокнистой целлюлозой из хвойной древесины.

Легче всего в продольном направлении расщепляются при размоле льняные и пеньковые волокна, у которых фибриллы в клеточных стенках расположены параллельно их оси; значительно труднее расщепляются волокна древесной целлюлозы и еще труднее хлопковое волокно с косым расположением фибрилл Иванов С.Н. Технология бумаги. Изд. 3-е. -М.: «Школа бумаги», 2006.-696 с.-70с. Волокна хлопка при размоле укорачиваются. Хлопковое волокно имеет широкий канал и изогнутую ленточную форму, поэтому из полученной бумажной массы образуется пухлая и пористая бумага, которая обладает высокой впитывающей способностью, но не небольшой прочностью.

Сульфатная целлюлоза размалывается труднее, чем сульфитная, потому что на поверхности сульфитной целлюлозы имеется большое количество поврежденного наружного слоя вторичной стенки.

Кроме того, большое влияние оказывает химический состав волокнистого полуфабриката (содержание б-целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина). Волокна содержащие большее количество б-целлюлозы содержат мало аморфной части, а следовательно слабо набухают и плохо размалываются. Волокна с большим содержанием гемицеллюлоз, менее кристалличны, хорошо размалываются за счет интенсивного набухания в воде. Лигнин действует отрицательно на размол, так как создает оболочку на волокне, блокирует гидроксильные группы и делает их труднодоступными к действию воды.

размол волокнистый бумажный производство

2.2 Продолжительность размола

Продолжительность размола - это фактор характеризующий время воздействия размалывающего аппарата на размалываемые волокна и определяющий степень разработки волокон (изменение их длины, степени фибриллирования) и, следовательно, качество бумажной массы и готовой продукции Фляте. Д.М. Свойства бумаги: Уч.пособ. -СПб.:Изд.-во «Лань», 2012.-384 с.-125с.. Время воздействия размалывающего аппарата на размалываемые волокна зависит от конструкции и условий работы аппарата.

В роллах периодического действия размол массы чередуется с длительными перерывами, когда волокна проходят через обратный канал ванны ролла. Поэтому процесс размола растягивается на несколько часов, тогда как при размоле в аппаратах непрерывного действия он протекает значительно быстрее, за несколько секунд. Однако и при размоле массы в аппаратах непрерывного действия время размола (или время пребывания массы непосредственно в аппарате) является не менее важным фактором, позволяющим регулировать процесс. Увеличение времени обработки материалов в аппаратах непрерывного действия обычно достигается путем дросселирования массы на выходе из размалывающего аппарата при помощи задвижки, увеличения коэффициента рециркуляции массы или путем установки нескольких аппаратов последовательно в одном потоке. С увеличением времени размола волокон в аппарате увеличивается степень помола массы, но снижается производительность размалывающего аппарата.

2.3 Удельное давление

Удельное давление при размоле один из основных регулируемых переменных факторов технологического режима процесса размола. Высокое удельное при размоле приводит в основном к рубке волокон, расход энергии снижается, но прочность бумаги при этом уменьшается, а при низком удельном давлении происходит фибриллирование волокон, при этом прочность бумаги увеличивается, но и расход электроэнергии увеличивается.

Величину удельного давления при размоле массы выбирают с учетом требуемых параметров массы и свойств вырабатываемой бумаги, типа размалывающего аппарата и гарнитуры, а также прочность исходного волокна. В таблице 1 приведены ориентировочные удельного давления при размоле в роллах разных волокнистых полуфабрикатов в зависимости от их назначения.

Таблица 1

Удельное давление при размоле массы в роллах Иванов С.Н. Технология бумаги. Изд. 3-е. -М.: «Школа бумаги», 2006.-696 с.-61с.

2.4 Концентрация массы при размоле

Концентрация массы при размоле выбирается соответственно типу используемого размалывающего оборудования и желаемому характеру помола массы.

Для получения массы садкого помола с укороченными волокнами необходимо применять при размоле волокон низкую концентрацию массы, при которой на каждое волокно, попадающее между ножами размалывающего аппарата, приходится большее удельное давление. При получении массы жирного помола с сильнофибриллированными волокнами следует пользоваться при размоле относительно высокой концентрацией массы, при которой каждому волокну будет соответствовать меньшее удельное давление при размоле и большее взаимное трение. Которое способствует расчесыванию волокон и их фибриллированию.

2.5 Величина рН среды массы

Величина рН среды массы при размоле оказывает влияние на скорость размола и показатели механической прочности производимой бумаги. В кислой среде размол осуществляется медленнее, чем в нейтральной, и с большим уменьшением длины волокна. При рН 10-11 наблюдается существенное ускорение процесса размола с повышением механической прочности изготавливаемой бумаги и с сокращением расхода энергии на размол- это связано с тем, что в щелочной среде происходит самой эффективное набухание. Однако при этом возможна деструкция массы, значительное пожелтение и снижение качества готовой продукции.

2.6 Температура массы

Температура массы- это один из трудно управляемых факторов процесса размола. Набухание и гидратация целлюлозных волокон, являются одним из самых важных условий размола, а эти процессы проявляют экзотермический характер, т.е. сопровождаются выделением тепла. На практике, было установлено, что процесс размола легче и быстрее протекает в зимнее время в более холодной производительной воде, чем в летнее. В таких условиях волокна легче фибриллируются- это положительно сказывается на прочности изготавливаемой бумаги. Если процесс размола происходит при повышенной температуре, то вследствие недостаточного набухания волокон они не приобретают необходимой гибкости, слабо фибриллируются и легко рубятся в поперечном направлении, что снижает прочность бумаги и увеличивает расход электроэнергии. Поэтому размол ведут в несколько ступеней.

2.7 Добавки химических веществ при размоле

Добавки химических веществ при размоле осуществляют так называемый «химический размол», благодаря которому можно сократить время размола и размалывать массу до меньшей степени помола.

Наиболее эффективными добавками являются гидрофильные добавки, которые адсорбируясь на волокнах способствуют их набуханию, придают гибкость, эластичность и образуют дополнительные водородные связи. К таким веществам относят: крахмал, водорастворимые эфиры целлюлозы, полиакриламид, поливиниловый спирт, мочевина.

Установлено, что улучшение процесса размола возможно при использовании поверхностно-активных веществ, которые адсорбируясь на волокнах, действуют расклинивающим образом и вызывают, так называемый «химический размол».

Список литературы

1. Фляте Д.М. Свойства бумаги: Учебное пособие. 5-е изд., стер.-СПб.: Издательство «Лань», 2012.-384 с.

2. Иванов С.Н. Технология бумаги: Учебное пособие.3-е изд.-М.: Издательство «Школа бумаги», 2006.-696с.

Размещено на Allbest.ru