Билет №18

1 . Химическое строение целлюлозы. Надмолекулярная структура целлюлозы. Наиболее важным компонентом растительного волокна, пред­ставляющим наибольший интерес для производства бумаги, явля­ется природный полимер — целлюлоза. Целлюлоза состоит из длин­ных цепных молекул, образованных повторяющимися единицами, состоящими из двух β-а-глюкозных остатков, соединенных между первым и четвертым углеродными атомами глюкозидной связью.

Количество глюкозных остатков (степень полимеризации) до­стигает в природной целлюлозе 7000—10000, в технической хлоп­ковой целлюлозе 1000—3000, а в технической древесной целлю­лозе 600—2000. Длинные целлюлозные цепи, достигающие 3,5— 5 мк в растительном волокне и 0,3—1,5 мк в технической целлю­лозе, образуют в клеточной стенке ориентированные участки, жесткие кристаллические пучки, в которых отдельные цепи целлю­лозы связаны между собой силами межмолекулярного взаимодей­ствия — водородными связями между гидроксильными группами соседних цепочек .

Наряду с ориентированными участками целлюлозы (кристал­литами) в клеточной стенке волокна имеются и участки с менее упорядоченным расположением целлюлозных цепей (аморфные области). Количество кристаллических областей, в древесной и хлопковой целлюлозе составляет около 70%,а на долю аморфных областей падает около 30% .

П о современным воззрениям, пучки целлюлозных цепей с жест­ким межмолекулярным взаимодействием между ними представля­ют кристаллические участки целлюлозы, в которых расстояние между цепями минимальное, а энергия связи максимальная . Эти кристаллиты, согласно Фрей-Висслингу являются основными структурными еди-ницами клеточной стенки целлюлозного волокна — элементарными фибриллами. Элементарные фибриллы идеально кристаллизо­ваны. Пространство между элемен­тарными фибриллами заполнено аморфной целлюлозой и частично нецеллюлозным материалом (гемицеллюлозами), который можно удалить щелочью. Элементарные фибриллы в клеточной стенке целлюлозы собраны в более крупные пучки микрофибриллы, а по­следние в еще более крупные фрагменты — макрофибриллы, хо­рошо видимые в световой микроскоп. Таким образом, клеточная стенка целлюлозного растительного волокна имеет фибриллярную структуру, которая позволяет не только делить волокно на продольные фрагменты любых разме­ров, но и связывать волокна между собой в единую структуру.

Надмолекулярная структура. 1.теория кристаллич. строения: 1.1 аморфно-кристаллич (2-х фаз.) 1.2 кристаллическая (1 фаз.) 2.теория аморфного строения

В 1.1 – Ц в растит. клет. стенках находится в виде фибрилл, сост-щих из микрофибрил, кот. состоят из чередующихся кристалич. и аморфных участков – “бахремчатая фибрила” – трехмерный дальний порядок в расположении цепей в кристаллической поддержке за счет водородной связи и сил Ван-дер-Вальса. В аморфных участках стройный трехмерный порядок отсутствует и сохраняется лишь общая продольная направленность цепей. В этих участках довольно легко может проходить р-ции взаимодействия Ц с другими в-вами. Кристал. и аморфные участки не имеют четких границ. Длина макромолекулы значительно больше длины кристал-х участков, отсюда следует , что каждая цепь проходит последовательно ряд кристалич. и аморфных участков. Ц – явл. ориентированным полимером, т.к. все кристаллы ориентированы в 1 направлении вдоль микрофибрил, которые располагаются в целлюлозном волокне также в определ. направлении по спиралям вдоль волокна. В 1.2 – Ц, как 1 фазная система, состоящая из 1 кристал. фазы с дефектами кристаллической решетки. Строение микрофибрилл в поперечном разрезе различные авторы также рассматривают по разному. Наиболее распостранена гипотеза Фреи-Висслинга, согласно к-рой микрофибриллы имеют приблизительно прямоугольное сечение более или менее постоянных размеров около (100*200 А). Каждая такая микрофибрилла состоит из 4-х элементарных фибрилл (мицелляных прядей) размером около (50-100А2). Мициллярная прядь в центре имеет кристаллический стержень, к-рый окружен так называемой паракристаллической оболочкой. В паракристаллической части целлюлозные цепи также направлены вдоль микрофибрилл, но строгий порядок уже отсутствует. Эта часть, таким образом, уже не является кристаллической, но в то же время ее нельзя считать аморфной. Наблюд. постепенное ↓ ст. упорядоченности от центра к периферии элементарной фибриллы, т.е. существует градиент кристалличности. В продольном направлении микрофибриллы длина мицелл (кристалич.участков) неопределенна, но в среднем составляет около 600 А. между мицеллами (по направлению оси микрофибрилл) располагаются менее упорядоченные участки, т.е. одна цепь проходит ряд кристаллических и аморфных участков. Цел-ные волокна харак-ся по ст.кристалличности и ст.ориентации. Эти показатели отражают плотность упаковки Ц. Степень кристалличности Ц (относительное содержание кристаллической части) определяют графически, а также сравнением плотности Ц в аморфных и кристаллических участках, по скорости протекания р-ций(кислотный гидролиз, окисление, фибрилирование и т.д.) в этих частях, путем определения адсорбции воды или йода и т.д. однако следует помнить, что подобные методы позволяющие определить так называемую доступность Ц, лишь косвенно харак-ют ее кристалличность. Различные методы дают разные значения кристалличности, но некоторые выводы все-таки можно сделать. Природные целлюлозные волокна (древесная Ц, хлопок, рами) содержит примерно 65-70% кристаллической и 25-35% аморфной. Наименее плотную упаковку имеют искусственные целлюлозные волокна. Ст.ориентации показывает, насколько близко совпадает направление кристаллитов с направлением оси волокна. Ст. ориентации устанавливают сравнением рентгенограмм с электронными микрофотографиями волокна, а также с помощью метода дифракции рентгеновских лучей под малыми углами и метода двойного лучепреломления. Чем плотнее упаковка (т.е. чем выше ст.кристалличности и ст.ориентации), тем сильнее проявляется межмолекулярное взаимодействие (водородные связи) и тем выше прочность волокна. Более прочными оказываются волокна Ц, имеющие длинные молекулы т.к. число гидроксилов, вовлеченных в Н связь, при этом возрастает. Деструктированные волокна, содержащие цепи меньшей длины, менее прочны. Модель элементарной кристаллической ячейки Ц. Кристал-кая решетка Ц состоит из элементарных кристал-ких ячеек. На основании рентгенографических данных было установлено, что элементарная ячейка Ц явл. моноклинной. Пространственную модель элементарной кристал-й ячейки Ц впервые построили Марк и Мейер, а затем усовершенствовали ее Мейер и Миш. Каждая элемен. ячейка Ц вмещает в свой объем 4 глюкозных звена. С учетом числа звеньев в ячейке была предложена модель моноклинной элемен. ячейки Ц. По каждому ребру b и в центре ячейки проходит цепь Ц. Центральная цепь сдвинута на ½ звена и идет в противоположном направлении. При таком расположении половина цепей направлена, а одну сторону, половина-в другую и на каждую ячейку приходится 4 звена. Вдоль ребер b действуют силы главных хим. валентностей (ß-глюкозидные связи 1-4). В направлении ребер a гидроксилы соседних цепей приближаются на расстояние 2,5А. Поэтому здесь образ. водородные связи. Вдоль ребер с расстояние м/у гидроксилами 3,1А и в этом направлении действуют более слабые силы Ван-дер-Вальса. Такая модель в основном согласуется с хар-ром рентгенограмм Ц и объясняет многие ее св-ва. Было показано, что все природные Ц имеют рентгенограммы одного и того же типа. Следовательно, все они имеют одну и ту же кристал-ую структуру. Для Ц характерен полиморфизм. Ц имеет несколько кристал-ких модификаций, каждая из к-рых дает свою характерную рентгенограмму.

2. Теория СФИ варки целлюлозы. Варка сульфитной целлюлозы осуществляется способом в вертикальных стационарных котлах клепаной или сварной конструкции, стальной корпус которых изнутри защи­щен кислотоупорной футеровкой или изготовлен из биметалла с плакировкой из кислотоупорной стали.

Котел загружают щепой из бункера, заливают варочной кис­лотой и герметически закрывают. Затем содержимое котла на­гревают паром до температуры 105—110 °С (заварка) и выдер­живают при этой температуре («стоянка») для завершения про­питки щепы кислотой. Далее, нагрев продолжают до конечной температуры варки — до 128—155° С. Различают прямой и не­прямой нагрев содержимого варочного котла. При прямом на­греве пар поступает непосредственно в котел и там конденси­руется, при непрямом нагреве пар поступает в установленный рядом с котлом поверхностный подогреватель, через который непрерывно прогоняется циркуляционным насосом варочная жидкость. В последнем случае конденсат пара не смешивается с кислотой. Рабочее давление в котле может составлять от 0,6 до 1 МПа.

В зависимости от условий продолжительность варки колеб­лется в широких пределах — примерно от 5 до 12 ч. В процессе варки из котла периодически или непрерывно производят «сдувки», т. е. удаляют из верхней части котла водяной пар и сернистый газ в систему регенерации, где они смешиваются с сы­рой кислотой, образуя варочную кислоту.

Ход варки контролируется варщиком по показаниям прибо­ров и по результатам анализа варочной жидкости; в конце варки иногда отбирают из котла пробы сваренной массы. Отработан­ная варочная жидкость носит название сульфитного щелока.

По окончании варки котел опоражнивают в сцежу или при­емный резервуар способом выдувки или вымывки. При выдувке давление в котле снижают до 0,15—0,25 МПа, открывают шибер на выдувном трубопроводе и целлюлозная масса остаточным давлением выдувается из котла вместе со щелоком в закрытую сцежу или выдувной резервуар. Продолжительность выдувки 10—20 мин. При вымывке давление в котле снижают до 0,25— 0,35 МПа и предварительно отбирают из котла сульфитный ще­лок, направляемый на использование. В котел, заполняя его до­верху, подают воду или слабый оборотный щелок и еще некото­рое время продолжают отбор крепкого щелока под гидравлическим давлением, затем выпускают массу с оставшимся слабым щёлоком из котла в открытую сцкжу или вымывной резервуар.Продолжительность всех операций при вымовке составляет 1,5-2ч.

1–загрузка котла щепой;2–нагрев;3–стоянка;4–подъём температуры;5–варка;6–выгрузка.

Оборот котла – время от загрузки котла щепой до выгрузки из него сваренной целлюлозы.

На участке А образуется твёрдая лигносульфоновая к-та,на участке Б происходит растворение твёрдой лигносульфоновой к-ты и удаление его из щепы с отработанным щёлоком.

1–патрубок для ввода в котёл пара;2–штуцер для удаления воздуха из котла;3–сдувочный штуцер;4–штуцер для удаления варочной к-ты;5–штуцер для подачи варочной к-ты;6–подогреватель Бробика;7–насос переменой мощности;8–контролирующие и регулирующие приборы;9–патрубок для отвода варочной к-ты;14разгружающее устройство;15–вал электродвигателя

3. Конструктивные элементы сеточного стола БДМ. Сеточный стол бумагоделательной машины состоит из регистровой части, иногда подвергаемой тряске, отсасывающих ящиков и гауч-пресса. Разбавленная волокнистая суспензия не­прерывным потоком вытекает на движущуюся бесконечную сетку. На сеточном столе масса теряет большую часть содержащейся в ней воды, превращаясь в бумажное полотно, которое при сухости около 15—20% передается с сетки на сукно первого пресса для дальнейшего уплотнения и механического обезвоживания прессо­ванием. Сетка, обогнув нижний вал гауч-пресса, возвращается к грудному валу. При обратном движении сетка, направляемая несколькими сетковедущими валиками, промывается водой при помощи водяных спрысков, и снова подходит к регистровой части сеточного стола. Оборотная вода от регистровой части машины по желобам и сливам отводится в сборник оборотной воды. Чтобы предотвратить растекание жидкой массы по краям сетки, в начале регистрового стола устанавливают ограничительные линейки. Для обрезания неровных кромок сырого бумажного полотна перед гауч-прессом имеются две краевые отсечки (водяные ножи) и одна переводная, используемая для разрезания бумажного полотна при заправке бумаги. Между отсасывающими ящиками над сеткой иногда устанавливают легкий ровнительный валик (эгутер), кото­рый применяется для улучшения просвета бумаги, уплотнения ее структуры и нанесения водяных знаков.Длина и ширина сеточного стола зависят от производитель­ности и скорости бумагоделательной машины и вида вырабаты­ваемой бумаги.

Регистровая часть начинается от грудного вала и состоит из регистровых валиков, расположенных в одной плоскости. Между грудным валом и первым регистровым валиком обычно устанавли­вают формующую доску для устранения провисания сетки и улучшения формования.

Р ис. 1. Дефлекторы и опорные планки: 1 — формующая доска; 2 — опорная планка двойная; 3 — планка одинарная; 4 —дефлектор

В этой части сеточного стола происходит формование бумаж­ного полотна из разбавленной волокнистой суспензии и удаление из нее большей части воды под влиянием свободного отекания и отсасывающего действия регистровых валиков.

Регистровые валики для небольших машин изготовляют из ла­тунных и алюминиевых, а для больших машин из стальных труб, которые покрывают слоем меди или резины. Диаметр регистровых валиков зависит от ширины машины и находится в пределах от 80 до 400 мм.

Благодаря смачиванию и силам сцепления воды с поверхно­стью регистрового валика, а также кинетической энергии враще­ния валика и движения сетки происходит всасывание воды в кар­мане ABC. В некоторой точке В всасывающее действие валика прекращается, так как подвод воды из слоя массы на сетке ока­зывается недостаточным, чтобы заполнить карман водой.

Гидропланки.При высокой скорости машины регистровые валики создают помехи формованию бумаж­ного полотна. При входе сетки на ре­гистровый валик масса, находящаяся на ней, испытывает снизу давление пленки воды, выдавливаемой валиком вверх. При сходе сетки с валика возникает разрежение в клину между валиком и сеткой. Таким образом, при прохождении через регистровые ва­лики волокнистый слой на сетке подвергается попеременному воз­действию давления и разрежения .При высоких скоростях эти колебания нарушают процесс формования и ухудшают просвет бумаги.

Чтобы устранить этот недостаток, на быстроходных маши­нах, а также и на машинах средних скоростей стали устанавли­вают вместо регистровых валиков гидропланки. Гидропланка представляет собой разновидность шабера, устанавливаемого под сеткой под небольшим углом (1—4°) к ней. Гидропланка передней кромкой снимает, как шабером, пленку воды, повисшую под сеткой и удерживаемую силами поверхностного натяжения, и удаляет часть воды из волокнистого слоя вследствие разрежения, возни­кающего в клине между сеткой и поверхностью гидропланки.

Сетковедущие валики. Кроме грудного и регистровых валиков, в сеточной части машины имеется еще несколько сетковедущих валиков, по которым движется сетка при своем обратном движе­нии. Среди этих валиков один «правительный», вращающийся в подшипниках, которые можно перемещать в горизонтальном на­правлении. При помощи этого валика регулируют движение сетки и предотвращают ее смещение на сторону. Подшипники натяжного валика перемещаются в вертикальном направлении, т. е. перпен­дикулярно движению сетки.

Все сетковедущие валики сходны между собой по конструкции и отличаются лишь местоположением и опорами.

Отсасывающие ящики. Скорость обезвоживания бумажного полотна на регистровой части сеточного стола снижается по мере повышения сухости бу­мажного листа. Здесь нельзя получить достаточно сухое полотно с содержанием сухого вещества более 3—4%, так как для этого потребовалось бы значительно удлинить сеточный стол. На реги­стровой части сухость бумажного полотна обычно повышается до 2—3%, а при выработке тонкой бумаги жирного помола еще меньше. Дальнейшее обезвоживание листа ведут принудительным способом, под вакуумом на отсасывающих ящиках и отсасываю­щем гауч-вале. Сухость бумажного полотна после ящиков дости­гает 10—12%, а после гауч-вала 18—22%. Отсасывающие ящики повышают эффективность обезвоживания бумажного полотна на сетке машины, что позволяет сократить длину сеточного стола. Количество отсасывающих ящиков, устанавливаемых на бума­годелательной машине, зависит от типа машины, вида вырабаты­ваемой бумаги и скорости машины и может изменяться от 2 до 12.

Гауч-пресс. После отсасывающих ящиков бумага содержит еще сравни­тельно много влаги (88—90%) и поэтому не обладает прочностью, достаточной для передачи бумажного полотна в прессовую часть машины. Поэтому бумажное полотно вместе с сеткой пропускают еще через гауч-пресс, где сухость бумаги возрастает до 18—22%. Здесь завершается операция формования и обезвоживания бумаж­ного листа на сетке бумагоделательной машины. Бумажное по­лотно передается в прессовую часть для дальнейшего обезвожива­ния и уплотнения.

Отсасывающий гауч-вал камерного типа представляет собой перфорированную трубу из бронзы со стенкой толщиной от 25 до 50 мм, в которую вставлена чугунная неподвижная вакуум-камера шири­ной от 180 до 230 мм

Сетка – основной элемент сет. стола БДМ – на к-ром осущ-ся формование бум. полотна и его обезвоживание до 60-х гг – металлические сетки из цветного металла: нити – основы – горизонтальные и нити – утка – вертик. Сетка быстро изнашивается и это зависит от трения регистровых валиков, отсасыв. ящиков, от огибания грудного вала, от натяжения на обратной ветви. С 70-х гг – синтетические сетки, нити выполнены из лавсанового волокна, увеличивается срок службы.

Ровнитель Водяные знаки на бумагу обычно наносятся при помощи ровни­теля (эгутера), а также при помощи сеточных цилиндров на круг-лосеточных машинах. Ровнитель представляет собой легкий, полый валик, изготовлен­ный из проволочного каркаса и обтянутый снаружи сеткой. На сетку наносят специальными штампами наружный рисунок (рельеф), который может быть сплошным для выработки так называемой узорной бумаги или местным для выработки бумаги с локальным знаком. Ровнитель устанавливают на сетку бумагоделательной машины между отсасывающими ящиками, например после второго или третьего ящика. Ровнитель обычно вращается сеткой.