3.11. Теоретические основы дефибрирования

Дефибрирование – сложный процесс переработки древесины в волокнистую массу с помощью абразивных зерен дефибрерного камня в присутствии воды. Исследователями было выдвинуто множество теорий процесса дефибрирования, но все они объясняли отдельные положения и не охватывали процесс в целом.

Процесс дефибрирования, заключающийся в расщеплении древесной ткани зернистой поверхностью вращающегося камня в волокнистую массу в присутствии воды, лишь внешне кажется простым, в действительности он довольно сложен. Механизм его до сих пор еще полностью не выяснен.

Значительным шагом вперед в выяснении сущности процесса дефибрирования было предположение Брехта и Шустера о том, что при дефибрировании баланса необходимо различать две фазы: расщепление древесной ткани на волокна и размол отделившихся волокон, а также указание Эдвардса на вероятность размягчения лигнина при высокой температуре в зоне дефибрирования.

Позднее К.Г.Клемм широко развил теорию о двухфазности процесса дефибрирования, связав ее с физико-химическим процессом пластификации лигнина в условиях высокой температуры в зоне дефибрирования.

До настоящего времени теорию Клемма из всех ранее выдвинутых теорий считали наиболее достоверной для процесса дефибрирования с погруженным в ванну с массой камнем, однако и она не совсем пригодна для объяснения некоторых положений безванного дефибрирования.

Процесс дефибрирования древесины К.Г. Клемм разделяет на два процесса – первичный и вторичный.

Первичный процесс заключается в отделении волокон от древесины в зоне дефибрирования и, в свою очередь, разделяется на первоначальный и начальный процессы.

Предначальный процесс заключается в предварительном размягчении межклеточного лигнина под воздействием тепла и пара, образующихся в зоне дефибрирования, и в ослаблении связей между волокнами. Скорость и степень пластификации лигнина как аморфного высокомолекулярного вещества зависят от температуры в зоне дефибрирования и от продолжительности воздействия тепла и пара на древесину, т.е. от окружной скорости камня. При низкой температуре или слишком большой окружной скорости получаются короткие поврежденные волокна, при высокой температуре и нормальной окружной скорости камня – длинные, хорошо сохранившиеся волокна. К.Г. Клемм считает, что при этом должно быть обеспечено такое соответствие между окружной скоростью камня и длиной дуги шлифования, чтобы время прохождения зерна по дуге шлифования, или время начального дефибрирования, составило 50 – 60 мс. Однако в последние годы практика показала несостоятельность этого положения теории Клемма. Сейчас наблюдается тенденция к переходу на повышенные окружные скорости камня, при которых это время значительно меньше (при окружной скорости камня 50 м/с в случае безванного дефибрирования 25 – 30 мс).

Установлено, что температура в зоне истирания при горячем дефибрировании составляет около 130 ºС.

Начальный процесс состоит в отделении волокон от размягченного слоя древесины под воздействием зерен вращающегося дефибрерного камня и зависит от размера зерен, строения и твердости камня, давления между древесиной и камнем; окружная скорость оказывает на этот процесс меньшее влияние.

Масса, получаемая в результате предначального и начального процессов, может быть названа первичной ДМ.

Вторичный процесс заключается в размоле первичной массы между древесиной и поверхностью дефибрерного камня, а также в повторном перемалывании массы, увлекаемой из ванны дефибрера в зону дефибрирования. Количество повторно перемалываемой массы зависит от строения поверхности камня, его окружной скорости, глубины погружения камня в массу, концентрации массы в ванне дефибрера, устройства и производительности спрысков.

Смесь дополнительно размолотой и повторно дефибрированной (из ванны) массы называют вторичной ДМ.

К.Г. Клемм считал нормальным процессом “вторичное дефибрирование” ДМ, захватываемой камнем из ванны. Однако это приводит к нерациональной загрузке зоны дефибрирования массой, вызывает необходимость глубокой насечки камня для размещения избытка ДМ в канавках камня, что снижает эффективную поверхность дефибрирования. Все эти недостатки исключаются в случае безванного дефибрирования, так как отсутствует процесс “вторичного дефибрирования” массы, захватываемой камнем из ванны.

Дефибрирование рассматривают как процессы граничного трения или трения при гидродинамической смазке. Около 80 % нагрузки воспринимается абразивными зернами, находящимися в контакте с древесиной, а остальная нагрузка воспринимается волокнистой суспензией между камнем и древесиной.

При дефибрировании слой волокон, находящихся перед восходящей стороной абразивного камня, сжимается. Сила, воздействующая от него на древесину, может быть разложена на тангенциальную и радиальную составляющие. Тангенциальная составляющая как бы спрессовывает волокна, лежащие в направлении вращения камня; радиальная – деформирует слой древесины, как бы впрессовывает волокна в древесину, благодаря чему становится возможным проскальзывание абразивного зерна относительно волокна. После прохождения камня сжатое волокно стремится принять прежнее положение, однако снятие напряжений задерживается во времени, так как упругие деформации в древесине происходят не мгновенно. Под воздействием абразивов молекулы смещаются друг относительно друга с большой частотой, поскольку при благоприятных условиях волокно до отделения воспринимает до 3000 ударов, что приводит к повышению температуры в зоне дефибрирования. При повышении температуры лигнин размягчается, концы волокон, расположенные обычно под небольшим углом к образующей камня, начинают как бы “прочесываться” абразивными зернами камня и затем отделяются от древесины. При “прочесывании” концы волокон расщепляются, и могут разрушиться стенки волокон. Расчесывание волокон приводит к их интенсивной фибрилляции и получению многочисленных небольших отрезков волокон, имеющих слизистый характер (мельштоф).

При горячем дефибрировании, проводимом в оптимальных условиях, процесс дефибрирования древесины сопровождается ее расщеплением не только по срединной пластинке, но и между наружным и средним слоями вторичной стенки, что приводит к вскрытию среднего слоя, и фибриллированию сопутствует вскрытие функциональных гидроксильных групп, которые обеспечивают образование между волокнами физико-химических связей при отливе бумаги.

В результате получается до 50 – 55 % фибриллированной и фрагментированной мелочи. Если в исходной древесине и в волокнистой части ДМ количество свободных гидроксильных групп практически одинаково, то в фибриллированной мелочи на 40 % больше по сравнению с исходной древесиной. Поэтому содержание в дефибрерной ДМ фибриллированной мелочи оказывает большое влияние на статическую прочность (разрывную длину, сопротивление продавливанию).

Исследованиями установлено, что в процессе дефибрирования резко снижается жесткость природных волокон древесины и повышаются их эластические и пластические свойства из-за частичного разрушения его жесткой пространственной структуры, в результате чего это волокно приобретает требуемые для производства бумаги и картона технологические свойства. Из этого следует, что дефибрирование нельзя рассматривать как чисто механический процесс диспергирования древесной ткани на волокнистые элементы или как процесс развертывания наружной поверхности волокон. Для этого потребовалось бы не более 0,09 % энергии, затрачиваемой на дефибрирование. Большая часть энергии тратится при превращении природного волокна в техническое, на изменение его упруго-вязких свойств.

В процессе дефибрирования наряду с физико-химическими (увеличение количества гидроксильных групп) и физическими процессами (снижение жесткости волокон) происходят и химические процессы. Исследования показали, что гидролитическому расщеплению подвергаются в небольшой степени пентозаны, количество которых уменьшается в еловой и сосновой массе на 1,5 – 2,5 %. В ДМ содержание веществ, экстрагируемых в спирто-бензольной смеси, ниже, чем в исходной древесине, что объясняется, по-видимому, частичным переходом их в раствор в процессе дефибрирования.

Общее количество органических веществ, переходящих в раствор при дефибрировании здоровой еловой древесины, составляет 2,5 – 3,5 %, для сосновой древесины 3 – 5 %.