Технология производства бумаги и картона. Методические указания к лабораторным работам

УДК 676.064.1

Составители: ст. преп. А. В. Князева доц. Л. Н. Герке

ассист. Г. М. Файзрахманова

Технология производства бумаги и картона : методические указания к лабораторным работам / сост. : А. В. Князева, Л. Н. Герке, Г. М. Файзрахманова; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2016. – 36 с.

Приведены краткие теоретические сведения, описания материальной части лабораторных установок, методика проведения, порядок обработки результатов эксперимента, требования к оформлению отчета и контрольные вопросы.

Предназначены для бакалавров очной формы обучения по направлению 18.03.01 (240100.62) «Химическая технология», изучающих дисциплину «Технология производства бумаги и картона».

Подготовлены на кафедре «Химическая технология древесины».

Печатаются по решению методической комиссии института полимеров

Рецензенты: канд. техн. наук, доц. Р. Р. Хасаншин канд. техн. наук, доц. Г. И. Игнатьева

2

ВВЕДЕНИЕ

За последние десятилетия в технологии производства бумаги и картона произошли серьезные изменения, начиная от изменения структуры сырья, внедрения системного контроля и заканчивая автоматизацией лаборатории.

Сложность процессов, масштаб производства, серьезная конкуренция, возрастание производственных затрат, а также изменение состава бумажной композиции вынуждают производителей отслеживать все больше и больше технологических параметров и свойств полученной бумаги, а также внедрять потоковые системы «он-лайн», которые позволяют быстрее реагировать на изменения потока. При всех явных преимуществах автоматизированного поточного контроля не теряют своей актуальности и привычные лабораторные испытания, по причине несоответствия нормативным требованиям условий измерения потоковых автоматических датчиков и необходимости их калибрования при помощи стандартных методов. Обострилась необходимость понимания фундаментальных процессов производства и оценки свойств бумаги как сырья для дальнейшей переработки. На первый план выходит глубокое понимание физико-химических свойств как сырья, так и конечного продукта.

Лабораторные испытания являются неотъемлемой частью производственного цикла и включают в себя контроль качества поступающего сырья, а также соблюдение технической спецификации изготавливаемой продукции. Методы лабораторных испытаний могут соответствовать международным, национальным или отраслевым стандартам, таким как ГОСТ, ISO, DIN, TAPPI, ASTM, SCAN, FEFCO, а

могут являться внутренней методикой предприятия или лаборатории. Лабораторные испытания являются неотъемлемой частью многих

технологических процессов в целлюлозно-бумажной промышленности. Проведение предварительных испытаний новых материалов и технологий благоприятно сказывается на их внедрении в производственный процесс.

3

Лабораторная работа 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ БУМАГИ

Цель работы: Определение содержания сухого вещества в навеске.

Оборудование и материалы: навеска бумаги, бюкс (стеклянный или алюминиевый), сушильный шкаф, эксикатор, аналитические весы.

1.1 Общие сведения

Если бумагу поместить в атмосферу воздуха с высокой относительной влажностью, то вследствие гигроскопичности и высокой адсорбционной способности бумаги к влаге она увлажнится. При этом из-за расклинивающего действия проникающих в поры бумаги молекулярных слоев воды ослабляются межволоконные связи. При последующем высыхании бумаги в среде сухого воздуха под влиянием сил капиллярной контракции восстанавливаются прочные связи между волокнами в новых контактных точках. Абсолютно сухая бумага из-за хрупкости пересушенных волокон отличается сравнительно невысокими показателями механической прочности (особенно по сопротивлению излому). С повышением влагосодержания волокна приобретают гибкость, прочность бумаги по ее основным показателям при этом повышается. Эта зависимость справедлива, однако, до какого-то оптимального значения влажности, превышение которого уже отрицательно сказывается на показателях механической прочности из-за ослабления межволоконных связей. Очевидно, что оптимальное влагосодержание будет разным для каждого показателя механической прочности. Так, обычно максимальное сопротивление излому достигается при более высокой влажности бумаги, чем максимальные значения многих других показателей механической прочности.

При постоянной температуре окружающего воздуха температура бумаги равна температуре воздуха, и влажность бумаги вследствие ее гигроскопичности приходит в соответствие с влажностью окружающего воздуха. Это равновесное содержание влаги в бумаге одинаково во всем ее объеме и не изменяется, пока бумага находится в данных атмосферных условиях.

Графическая зависимость между равновесным влагосодержа-

4

нием бумаги и относительной влажностью окружающего воздуха носит название изотермы сорбции в случае, если бумага в процессе установления равновесия воспринимала влагу из окружающего воздуха, и изотермы десорбции, если она отдавала влагу окружающему воздуху. Изотермы сорбции и десорбции бумаги, как и других капиллярно-пористых коллоидных материалов, совпадают только в двух точках: при относительной влажности окружающего воздуха φ =0 и φ =1. При всех других промежуточных значениях эти изотермы не совпадают. Природа этого сорбционного гистерезиса до сих пор точно не установлена. На рис. 1.1 приведены кривые адсорбции и десорбции паров воды сульфитной целлюлозы при 20 °С, а в табл. 1.1 – значения влажности газетной бумаги в результате процессов адсорбции и десорбции.

Из рис. 1.1, а также из данных табл. 1.1 видно, что равновесная влажность бумаги, полученная в результате адсорбции влаги, ниже, чем при десорбции. Десорбция – процесс обратной сорбции и является частным видом сушки материала в пределах его гигроскопической

5

древесной массы и уменьшается с увеличением содержания минерального наполнителя (табл. 1.2).

Таблица 1.1 Равновесное содержание влаги в стандартной газетной бумаге,

достигнутое в результате процессов адсорбции и десорбции влаги

Из данных табл. 1.2 видно, что растительные волокна значительно гигроскопичнее, чем каолин. Этим и объясняется уменьшение равновесной влажности бумаги при увеличении ее зольности. Из растительных волокон древесная масса имеет более высокие значения равновесной влажности и поэтому высокая равновесная влажность присуща газетной бумаге, в составе которой древесная масса является основным компонентом. Высокие гигроскопические свойства газетной бумаги объясняются не только ее пористой структурой, но также высоким содержанием в древесной массе гемицеллюлоз, обладающих повышенной способностью к абсорбции водяных паров. Отсутствие гемицеллюлоз в растительных волокнах или их незначительное количество резко снижает равновесную влажность подобных волокон. В этом легко убедиться на примере хлопка, содержащего наиболее низкое равновесное влагосодержание. По этой причине равновесное влагосодержание бумаги из небеленых видов целлюлозы выше, чем соответствующих беленых.

6

С увеличением относительной влажности от 30 до 60 % показатель степени проклейки бумаги, выражаемый по штриховому методу определения, непрерывно снижается, а с понижением в тех же пределах относительной влажности воздуха величина этого показателя повышается. Установлено, что с увеличением степени помола волокнистой массы величина равновесной влажности изготовляемой бумаги несколько повышается. Это может быть связано с тем, что при увеличении степени помола массы развертывается наружная поверхность волокон и увеличивается адсорбция влаги на этой поверхности. Возможно, что при высокой относительной влажности окружающего воздуха играет роль и усиление капиллярных сил. При 65 % и меньшей относительной влажности воздуха даже значительное увеличение степени помола исходных волокон весьма мало сказывается на увеличении равновесной влажности изготовляемой бумаги.

Весьма низкая равновесная влажность характерна для мелованной бумаги. Повышение гладкости бумаги ее каландрированием приводит к некоторому снижению равновесной влажности бумаги, что связано, по-видимому, с такими изменениями в капиллярной структуре бумаги, при которых проникновение влаги в поры становится затруднительным.

На накате бумагоделательной машины бумага, как правило, имеет пониженную влажность и сохраняет те напряжения, которые возникли в ней в процессе сушки.

Для снятия этих напряжений и повышения влажности бумаги до влажности окружающего воздуха бумагу выдерживают в атмосфере воздуха, имеющего соответствующие параметры относительной влажности и температуры. Это осуществляют не только в специальных помещениях на бумажной фабрике, но и перед непосредственным использованием бумаги для нанесения печати на предприятиях полиграфической промышленности или при переработке ее на бумажные мешки. Подобная обработка бумаги на бумажной фабрике имеет смысл при условии последующего применения водонепроницаемой ее упаковки, так как в противном случае во время транспортировки и хранения бумаги на складе эффект от ее климатической обработки сведется к нулю.

Иногда в зимнее время рулоны бумаги со двора поступают непосредственно в печатный цех, что недопустимо. При этом на холодной поверхности бумаги конденсируется влага подобно тому, как

8

она конденсируется и вызывает запотевание очков у человека, вошедшего с мороза в теплое помещение. Конденсация влаги на поверхности бумажного полотна часто приводит к короблению поверхности и одностороннему скручиванию бумаги, вследствие чего приходится срезать некоторое количество бумаги с поверхности рулона и направлять ее в брак.

Различают понятия акклиматизации бумаги и ее кондиционирования.

Акклиматизация бумаги – это процесс достаточно длительного выдерживания ее в атмосфере помещения, в котором предполагается использование бумаги для печати или других целей. Акклиматизация бумаги может быть также осуществлена обдувкой ее воздухом того цеха, в котором ее должны использовать.

Кондиционирование бумаги заключается в том, что бумаге придают влажность, требуемую условиями ее использования (например, условиями ее печати). При этом влагосодержание бумаги может отличаться от равновесного. Например, при литоофсетной печати считается, что влажность бумаги должна быть на 0,5 % выше равновесного содержания влаги. Это достигается обработкой бумаги в климатизационных камерах воздухом с относительной влажностью на 5-8 % выше, чем относительная влажность воздуха в помещении печатного цеха.

Бумага не клееная и слабоклееная приходит в равновесие с относительной влажностью окружающего воздуха скорее, чем бумага с высокой степенью проклейки. Листы бумаги, прошедшей акклиматизацию, не склонны к скручиванию. Они плоско лежат и не имеют волнистых кромок. Такие листы хорошо захватываются присосами автоматического самонаклада и без затруднения проходят печатную машину.

Как было сказано выше, относительная влажность окружающего воздуха и его температура значительно влияют на влагосодержание бумаги, что, в свою очередь, сказывается на свойствах бумаги, в том числе и на показателях ее механической прочности и деформации линейных размеров. Поэтому все основные показатели качества бумаги следует определять в строго стандартных условиях относительной влажности и температуры окружающего воздуха.

9

1.2.Порядок проведения работы

1.Для определения влажности бумаги чистый пустой бюкс (в открытом виде вместе с крышкой) взвешивают на аналитических весах.

2.Помещают в бюкс навеску около 5 г бумаги, взятую из различных мест испытуемого образца и взвешивают.

3.Сушат бюкс с навеской в сушильном шкафу при температуре 100-105 °С до постоянного веса.

4.Бюкс закрывают крышкой, а затем помещают в эксикатор и после охлаждения взвешивают. Время охлаждения должно быть строго постоянным. Перед взвешиванием крышку бюкса на короткое время приоткрывают, чтобы уравнять давление воздуха.

Влажность бумаги в процентах рассчитывают по формуле

где m1 – масса бюкса с навеской до высушивания, г; m2 – масса бюкса с навеской после высушивания, г.

Контрольные вопросы

1.Опишите конструкцию аналитических весов и правила их обслуживания?

2.Что является целью сушки бумаги?

3.Как происходит процесс испарения влаги из бумаги?

4.Какие факторы оказывают влияние на процесс сушки?

10