4. Производство бумаги
Бумага, его классификация и свойства
В некоторых европейских странах, таких как Украина, Англия, Германия, Франция и т.д., листовой материал, на котором пишут, печатают и выполняют другие виды работ, называют бумагой. Это название листовой материал получил от своего предшественника папируса, на котором писали еще в древнем Египте.
Родиной бумаги является Китай. В Китае бумагу производили еще задолго до н. есть. В Европе первыми начали производить бумагу венгры (1300 г.). В Украине первую бумажную фабрику (фабрику для производства бумаги) построено в 1541 г. на Львовщине в городе Буск. На сегодня в Украине производят бумагу в Жидачеве (Львовщина), Малине (Житомирщина), Понинково (Хмельницкая область) и др.
Бумагой называют волокнистый листовой, преимущественно растительного происхождения материал, масса 1 м2 которого составляет 4-250 г. Картон в отличие от бумаги имеет большие толщину и массу. Известно более 600 видов бумаги.
По назначению бумага разделяют на группы, которые состоят из отдельных подгрупп (примеры названий некоторых подгрупп подано в скобках). Бумага для печати (печатная), писчая (тетрадная, почтовая), чертежно-рисовальная (калька), электроизоляционная (кабельная, конденсаторная), санитарно-бытовая (туалетная, гигиеническая), фильтровальная (лабораторные фильтры, фильтры для нефтепродуктов), промышленно-техническая (патронный, стойкая к щелочам, наждачная), светочувствительная (основа для фотобумаги), переводная (копировальная), упаковочная (мешочная).
Свойства бумаги. Бумага имеет разные свойства. Она может быть толстой или тонкой, гладкой или шероховатой, крепкой, белой или с оттенком, прозрачной, устойчивой против действию щелочей и кислот и т.д.
Бумага как волокнистый материал с капиллярной структурой легко поглощает влагу из окружающей среды. Поэтому чем выше влажность воздуха, тем выше влажность бумаги.
Свойства бумаги зависят от свойств сырья.
Сырье для изготовления бумаги
Для изготовления бумаги и картона используют целлюлозу, полученную из различных пород деревьев и растений, макулатуру, тряпье и т.д. Недавно начали использовать искусственные синтетические, минеральные и другие волокна. Кроме волокнистых веществ используют наполнители, воду, клеи, красители и т.д.
Волокнистые вещества (целлюлоза). Основным сырьем для производства бумаги есть и будут растения, поскольку оно недорогое, быстро восстанавливается и не нарушает равновесие в природе.
На сегодня основным волокнистым сырьем является целлюлоза сульфатная и сульфитная, макулатура, тряпье, волокна (синтетические, искусственные минеральные, шерстяные) и т.д.
Целлюлозу варят из измельченного растительного сырья в котлах периодического и непрерывного действия.
Сульфатную целлюлозу варят из измельченного растительного сырья в растворе, основными компонентами которого являются едкий натр (NaOH) и сульфид натрия (Na2S), при температуре 160-180 градусов и давлении 0,7-1,2 МПа. Полученная продукция имеет темный цвет. Из нее производят технические виды бумаги и картона.
Сульфитную целлюлозу варят из хвойной древесины в растворе, основными компонентами которого являются водный раствор SО2 и бисульфиты кальция, магния и др., за температуры 130-145 0С и давлении 0,6-1,2 МПа. В процессе производства сульфитной целлюлозы больший выход целлюлозы, а из отходов получают этиловый спирт, кормовые дрожжи и другие вещества.
Макулатура (от лат. «macula» - пятно) - это бумага или картон, испорченный в процессе производства, обрезки бумаги, старые газеты, журналы, книги и т.д. Это вторичное сырье. Она является заменителем свежей целлюлозы. Использование макулатуры в процессе производства бумаги имеет большое значение. Затраты на бумагу, произведенной из макулатуры, в 2-3 раза меньше, чем из целлюлозы. Меньше загрязняется также окружающей среды, чем во время производства бумаги из растительного сырья. Одна тонна макулатуры экономит 3,0-4,5 м3 древесины или около 15 крупных деревьев.
Тряпье также принадлежит к вторичному сырью. Лучшая бумага производится из льняного или конопляного тряпья.
Синтетические и другие волокна используют для производства специальных видов технической бумаги. Для получения этих видов бумаги используют искусственные синтетические, минеральные (асбестовые, базальтовые) и другие волокна.
Волокнистые вещества могут быть сухими или сырыми. Из сырых веществ производят более качественную и дешевую бумагу, чем из сухих. Однако использовать сырые вещества можно только тогда, когда бумажная фабрика расположена в пределах бумажно-целлюлозного комбината.
2. Наполнители. В процессе производства большинства видов бумаги к волокнистым веществам добавляют значительное количество минеральных веществ, которые называют наполнителями.
Наполнители улучшают свойство бумаги - предоставляют ему гладкость, мягкость, непрозрачность, делают его белым. Большинство наполнителей дешевле, чем волокнистые вещества. Добавление наполнителей к волокнистым веществам делает бумагу дешевле. Однако следует помнить, что, улучшая одни свойства бумаги, наполнители ухудшают другие, например, уменьшают прочность. Для каждого вида бумаги прилагается оптимальное количество определенного наполнителя. Чаще всего наполнителями используют каолин, тальк, мел, сульфата бария и кальция, диоксид титана, алюмосиликаты и т.д.
Каолин (глина белого цвета) - один из важнейших наполнителей бумаги и картона.
Тальк (кислая соль метакремниевой кислоты (3MgO-4Si02-H20)) предоставляет бумаги мягкости, бесшумности, повышает абсорбцию печатных красок и др. Основным недостатком талька является то, что бумага больше пылится.
Мел (почти чистый карбонат кальция (СаСОз)) по сравнению с каолином и тальком белее. Мел добавляет бумаге белизну, непрозрачность, мягкость. Ее используют в процессе производства папиросной бумаги.
Синтетический сернокислый барий (BaS04) улучшает белизну бумаги, уменьшает его прозрачность и придает блеск.
Диоксид титана (ТіО2) - очень дорогой наполнитель, его стоимость в 35-40 раз превышает стоимость каолина. Его используют во время производства очень качественного непрозрачного бумаги.
Алюмосиликаты получают на основе жидкого стекла и растворимых кальциевых солей и солей алюминия. Они делают бумагу белее, непрозрачным и улучшают печать. Поэтому их часто используют вместо дорогих титановых и других наполнителей.
Наполнители добавляют к бумажной массе в виде суспензий (лат. «suspension от «suspendo» - подвешиваю). Это смесь мельчайших твердых частиц и жидкости, в которой они содержатся в зависшем состоянии.
3. Вода. Без воды нет бумаги. Для производства бумаги используют обессоленную, без запаха и цвета воду. Особые требования предъявляют к воде, которую используют в процессе производства и конденсаторной и других видов технической бумаги.
.На производство 1 тонны целлюлозной бумаги тратят 150 м3 воды, а на 1 тонну конденсаторного - свыше 1000 м3. В процессе производства 1 тонны бумаги используют больше воды, чем в процессе производства одной тонны металла.
4. Клеи. Для проклеивания используют канифоль, парафины, воски, животные клеи, крахмал, казеин, латексі, полиакриламид и т.д. Чаще всего используют канифоль. Бумажная промышленность использует 20% произведенной канифоли. Название канифоли происходит от греческого города Колофония в Малой Азии, где ее впервые получили. В настоящее время канифоль производят из живицы хвойных деревьев, чаще всего из сосны, отогнав скипидар.
5. Красители. Для предоставления бумаги белья или цвета до бумажной массы добавляют небольшое количество синих, фиолетовых и других красителей.
Подготовка бумажной массы
Бумажная масса, из которой производят бумагу и картон, состоит из размолотых волокнистых веществ, воды, наполнителей, красителей и проклеивающих веществ. Подготовка бумажной массы - очень ответственный технологический процесс, который значительно влияет на качество полученной продукции: бумаги или картона. Он состоит из измельчения, проклеивания, наполнение, покраска и т.д.
1. Измельчение волокнистых веществ. Измельчение - один из важнейших технологических процессов в производстве бумаги. От него зависит качество бумаги. Этот процесс наиболее энергоемкий. На измельчения волокнистых веществ тратится 60-70% общего количества энергии в процессе изготовления бумаги. В ходе измельчения волокна укорачиваются, расщепляются, растираются и сжимаются. В результате измельчения меняются длина и толщина волокон. После измельчения волокна становятся эластичными, гибкими и жирными на ощупь.
Волокнистые вещества измельчают на специальных машинах, изобретенных еще в XVII-XIX ст., которые постоянно совершенствуют. В таких машин принадлежат ролл (1670 г.), конический мельница (1858 г.), дисковая мельница (1856 г.).
Ролл (нем. «Roller от лат. «rotula» - колесико) используют в процессе изготовления тонких видов бумаги, которые требуют длительного измельчения волокон, а также во время измельчения тряпья.
Конические мельницы долгое время использовали для вспомогательного измельчения после размола на роллах и только в 30-х годах XX в. после усовершенствования их используют как основные машины для измельчения волокнистых веществ.
Дисковые мельницы после реконструкции в 50-х годах XX в. установлены на всех новых бумагоделательных предприятиях. По сравнению с коническими мельницами они потребляют на 20-25% меньше энергии, имеют большую производительность (до 650 т в сутки), простую конструкцию.
На рис. 116 показано схему однодисковой мельницы.
Составными частями этой мельницы есть два диска, один из которых вращается, а второй остается неподвижным. Это универсальные мельницы. При размоле волокон можно устанавливать различные температуру и давление.
Время измельчения волокнистых веществ разный: в роллах - 0,5-24 ч., а в мельницах непрерывного действия - секунды.
2. Проклейка бумажной массы. Растительные волокна, из которых производят бумагу, имеют способность впитывать влагу. Чтобы предотвратить впитывание воды и некоторых коллоидных растворов, например чернил, и растеканию их по поверхности бумаги, бумага проклеивают.
Проклейка можно проводить двумя способами. За первым способом специальные вещества (клеи) вводят в бумажную массу перед изготовлением бумаги. Эти вещества распределяются равномерно по всей толщине бумаги. За вторым способом клейкие вещества наносят на поверхность готового бумаги. Клеи распределяются в основном на поверхности бумаги, а середина остается непроклееной. Второй способ экономически более выгоден, поскольку клея тратится меньше. Однако он требует дополнительного оборудования. В промышленности используют оба способа проклейки.
3. Наполнение бумажной массы. Много видов бумаги производят с использованием инертных наполнителей. Наполнители ухудшают проклейку бумаги; чтобы предотвратить это, их добавляют в бумажную массу после клея.
4. Покраска бумаги. Для предоставления бумаги определенного окраса его красят. Покраска проводят двумя способами. За первым способом красители наносят на поверхность готового бумаги, а за вторым - добавляют к бумажной массе (90% всего производимого бумаги красят именно этим способом, поскольку он проще, не требует дополнительного оборудования).