82
25 марта 2025
Первую часть материала можно прочитать по ссылке.
Мелочь в производстве бумаги и картона
Содержание мелочи влияет на широкий спектр свойств целлюлозы и бумажного полотна. С одной стороны, мелочь повышает прочность листа, улучшает связи между волокнами, следовательно, улучшает прочность во влажном и сухом состоянии, с другой стороны, высокое содержание мелких частиц приводит к ухудшению обезвоживания и белимости.
Влияние на механические свойства
В ранних научных исследованиях о влиянии мелочи в древесной массе на свойства бумаги рассматривались такие типы мелочи, называемые «распушенные фибриллы» и «древесная мука», выделенные сеткой примерно на 50 процентов шире, чем современные стандарты. Оба типа мелочи добавлялись в целлюлозу, не содержащую мелких частиц.
Добавление древесной муки ухудшило такие механические свойства бумаги, как разрывная длина и сопротивление излому, но фибриллы улучшали эти свойства непропорционально их добавлению с максимальным увеличением разрывной длины и сопротивлению излому при концентрации мелких волокон около 20 %, длинных волокон - 80 %. Основной вывод более поздних исследований заключался в том, что соотношение волокон и мелочи является определяющим фактором для многих свойств бумаги; свойства конкретного волокна и мелочи также играют роль, но менее важную.
Прочность бумажного полотна намного выше, если оно изготовлено только из мелочи, чем если только из длинных волокон. Прочность во влажном состоянии полотна из смеси волокна и мелочи в равных долях в пять раз выше, чем у бумажного полотна только из длинных волокон; также она немного выше, если используется материал с высоким содержанием фибрилл, чем если мелочь состоит в основном из древесной муки. Также отмечается, что максимум прочности во влажном состоянии наблюдается, когда все пустые пространства между волокнами заполнены мелочью. Таким образом, в зависимости от типа мелочи и волокон существует теоретический оптимум в соотношении мелочи и волокон, при котором начальная прочность во влажном состоянии максимальна, при этом статические и динамические прочностные характеристики достаточно хорошие. Эта точка была названа «предельным состоянием».
Примерные соотношения между механическими свойствами и содержанием мелочи в бумаге показаны на рисунке 2.
Рисунок 2.
Сравнение различных видов волокнистых суспензий с помощью анализа изображений показало, что в TMМ и химических целлюлозах фибриллы легче отличимы от других типов мелочи, чем в механической массе, где мелочь часто находится между очень длинными, очень тонкими фибриллами и частицами с низким аспектным отношением. Это может быть причиной того, что добавление мелочи, богатой фибриллами, увеличивает индекс прочности на разрыв и плотность листа бумаги в большей степени, чем такое же количество мелочи, богатой хлопьями, в TMМ. Наличие мелочи улучшает сопротивление бумаги как из механической массы, так и из TMМ к механическим нагрузкам в различных направлениях — аксиальном и радиальном в плоскости бумаги, а также в Z-направлении; это примерно соответствует сопротивлению растяжения, сопротивлению бумаги на разрыв и прочности по Скотту (прочность внутреннего соединения). Сопротивление листа бумаги на разрыв, содержащего только мелочь ниже, чем у бумаги без мелочи, но этот показатель самый высокий для содержания мелочи около 20 процентов. Мелочь также вносит нелинейный вклад в показатель длины разрыва с резким увеличением при низком содержании мелочи.
Основной эффект от мелочи относительно механических свойств бумаги заключается в том, что она уплотняет сеть волокон, увеличивая количество межволоконных связей, которые являются основным фактором прочности бумажного листа помимо прочности отдельных волокон. Если межволоконных связей больше, расстояния между волокнами становятся короче, и свободного пространства становится меньше. Следовательно, в высушенной бумаге возникает больше напряжения, что уменьшает усадку и повышает сопротивление разрыву. Мелочь в TMМ более эффективна для образования связей, чем стандартные химические вспомогательные вещества для увеличения прочности. А также мелочь в целлюлозе «приближает» волокна друг к другу, создавая более тонкий и менее пористый лист бумаги. Этот эффект уплотнения листа увеличивается с содержанием фибрилл в фракции мелочи.
В некоторых исследованиях сравнивали добавление различных типов мелочи к одному типу длинных волокон. Наблюдаемые тенденции были довольно схожи: добавление мелочи химической бумажной массы увеличивает индекс прочности на разрыв и плотность листа больше, чем такое же количество мелочи TMМ. Это было определено для мелочи от беленой и небеленой крафт-целлюлозы, но также от хвойной сульфитной целлюлозы и даже от крафт-целлюлозы, прошедшей цикл переработки. В зависимости от фракции длинных волокон существует определенное количество мелочи TMМ (например, 45%), за пределами которого дальнейшее увеличение не происходит или даже наблюдается снижение сопротивления разрыву. Как первичная, так и вторичная мелочь химической целлюлозы улучшает прочностные свойства бумаги, хотя эффекты более выражены для вторичной мелочи.
Влияние на оптические свойства
Некоторые исследования рассматривают влияние мелочи на оптические свойства бумаги. Для многих целей бумага должна быть белой и непрозрачной. Для мелочи механической массы коэффициент поглощения света в три-четыре раза выше, чем у фракции длинных волокон; вклады отдельных фракций суммируются. Коэффициент рассеяния света целлюлозы в основном зависит от фракции длинных волокон. Добавление мелочи механической массы увеличивает этот показатель; до определенного уровня содержания мелочи абсолютное увеличение зависит только от количества этой мелочи. Этот уровень был оценен как 15 процентов.
Мелочь химической целлюлозы обладает высоким содержанием фибрилл; их добавление может снизить коэффициент рассеяния света, но на том уровне, на котором они обычно присутствуют в химической целлюлозе, они не оказывают значительного влияния на оптические свойства получаемой бумаги.
Из-за более высокого содержания ионов металлов, лигнина и экстрактивных веществ, мелочь требует больше химикатов для отбеливания, чем фракция длинных волокон. Для достижения более высоких значений белизны механические массы часто отбеливают пероксидом водорода. Для TMМ и древесной массы это менее эффективно при более высоком содержании мелочи; этот недостаток частично компенсируется лучшим рассеянием света. При отбеливании крафт-целлюлозы можно достичь более высокой конечной белизны, потребляя меньше активного хлора, если первичная мелочь удалена заранее; в случае хвойной целлюлозы это соответствует удалению лучевых клеток, что также приводит к более эффективному отбеливанию. Кроме того, белизна немного меньше подвержена воздействию старения для массы, отбеленной без мелочи. Также было доказано, что отбеливание крафт-целлюлозы пероксидом водорода более эффективно после удаления первичной мелочи.
Мелочь в производстве бумаги и картона
Содержание мелочи влияет на широкий спектр свойств целлюлозы и бумажного полотна. С одной стороны, мелочь повышает прочность листа, улучшает связи между волокнами, следовательно, улучшает прочность во влажном и сухом состоянии, с другой стороны, высокое содержание мелких частиц приводит к ухудшению обезвоживания и белимости.
Влияние на механические свойства
В ранних научных исследованиях о влиянии мелочи в древесной массе на свойства бумаги рассматривались такие типы мелочи, называемые «распушенные фибриллы» и «древесная мука», выделенные сеткой примерно на 50 процентов шире, чем современные стандарты. Оба типа мелочи добавлялись в целлюлозу, не содержащую мелких частиц.
Добавление древесной муки ухудшило такие механические свойства бумаги, как разрывная длина и сопротивление излому, но фибриллы улучшали эти свойства непропорционально их добавлению с максимальным увеличением разрывной длины и сопротивлению излому при концентрации мелких волокон около 20 %, длинных волокон - 80 %. Основной вывод более поздних исследований заключался в том, что соотношение волокон и мелочи является определяющим фактором для многих свойств бумаги; свойства конкретного волокна и мелочи также играют роль, но менее важную.
Прочность бумажного полотна намного выше, если оно изготовлено только из мелочи, чем если только из длинных волокон. Прочность во влажном состоянии полотна из смеси волокна и мелочи в равных долях в пять раз выше, чем у бумажного полотна только из длинных волокон; также она немного выше, если используется материал с высоким содержанием фибрилл, чем если мелочь состоит в основном из древесной муки. Также отмечается, что максимум прочности во влажном состоянии наблюдается, когда все пустые пространства между волокнами заполнены мелочью. Таким образом, в зависимости от типа мелочи и волокон существует теоретический оптимум в соотношении мелочи и волокон, при котором начальная прочность во влажном состоянии максимальна, при этом статические и динамические прочностные характеристики достаточно хорошие. Эта точка была названа «предельным состоянием».
Примерные соотношения между механическими свойствами и содержанием мелочи в бумаге показаны на рисунке 2.
Рисунок 2.
Сравнение различных видов волокнистых суспензий с помощью анализа изображений показало, что в TMМ и химических целлюлозах фибриллы легче отличимы от других типов мелочи, чем в механической массе, где мелочь часто находится между очень длинными, очень тонкими фибриллами и частицами с низким аспектным отношением. Это может быть причиной того, что добавление мелочи, богатой фибриллами, увеличивает индекс прочности на разрыв и плотность листа бумаги в большей степени, чем такое же количество мелочи, богатой хлопьями, в TMМ. Наличие мелочи улучшает сопротивление бумаги как из механической массы, так и из TMМ к механическим нагрузкам в различных направлениях — аксиальном и радиальном в плоскости бумаги, а также в Z-направлении; это примерно соответствует сопротивлению растяжения, сопротивлению бумаги на разрыв и прочности по Скотту (прочность внутреннего соединения). Сопротивление листа бумаги на разрыв, содержащего только мелочь ниже, чем у бумаги без мелочи, но этот показатель самый высокий для содержания мелочи около 20 процентов. Мелочь также вносит нелинейный вклад в показатель длины разрыва с резким увеличением при низком содержании мелочи.
Основной эффект от мелочи относительно механических свойств бумаги заключается в том, что она уплотняет сеть волокон, увеличивая количество межволоконных связей, которые являются основным фактором прочности бумажного листа помимо прочности отдельных волокон. Если межволоконных связей больше, расстояния между волокнами становятся короче, и свободного пространства становится меньше. Следовательно, в высушенной бумаге возникает больше напряжения, что уменьшает усадку и повышает сопротивление разрыву. Мелочь в TMМ более эффективна для образования связей, чем стандартные химические вспомогательные вещества для увеличения прочности. А также мелочь в целлюлозе «приближает» волокна друг к другу, создавая более тонкий и менее пористый лист бумаги. Этот эффект уплотнения листа увеличивается с содержанием фибрилл в фракции мелочи.
В некоторых исследованиях сравнивали добавление различных типов мелочи к одному типу длинных волокон. Наблюдаемые тенденции были довольно схожи: добавление мелочи химической бумажной массы увеличивает индекс прочности на разрыв и плотность листа больше, чем такое же количество мелочи TMМ. Это было определено для мелочи от беленой и небеленой крафт-целлюлозы, но также от хвойной сульфитной целлюлозы и даже от крафт-целлюлозы, прошедшей цикл переработки. В зависимости от фракции длинных волокон существует определенное количество мелочи TMМ (например, 45%), за пределами которого дальнейшее увеличение не происходит или даже наблюдается снижение сопротивления разрыву. Как первичная, так и вторичная мелочь химической целлюлозы улучшает прочностные свойства бумаги, хотя эффекты более выражены для вторичной мелочи.
Влияние на оптические свойства
Некоторые исследования рассматривают влияние мелочи на оптические свойства бумаги. Для многих целей бумага должна быть белой и непрозрачной. Для мелочи механической массы коэффициент поглощения света в три-четыре раза выше, чем у фракции длинных волокон; вклады отдельных фракций суммируются. Коэффициент рассеяния света целлюлозы в основном зависит от фракции длинных волокон. Добавление мелочи механической массы увеличивает этот показатель; до определенного уровня содержания мелочи абсолютное увеличение зависит только от количества этой мелочи. Этот уровень был оценен как 15 процентов.
Мелочь химической целлюлозы обладает высоким содержанием фибрилл; их добавление может снизить коэффициент рассеяния света, но на том уровне, на котором они обычно присутствуют в химической целлюлозе, они не оказывают значительного влияния на оптические свойства получаемой бумаги.
Из-за более высокого содержания ионов металлов, лигнина и экстрактивных веществ, мелочь требует больше химикатов для отбеливания, чем фракция длинных волокон. Для достижения более высоких значений белизны механические массы часто отбеливают пероксидом водорода. Для TMМ и древесной массы это менее эффективно при более высоком содержании мелочи; этот недостаток частично компенсируется лучшим рассеянием света. При отбеливании крафт-целлюлозы можно достичь более высокой конечной белизны, потребляя меньше активного хлора, если первичная мелочь удалена заранее; в случае хвойной целлюлозы это соответствует удалению лучевых клеток, что также приводит к более эффективному отбеливанию. Кроме того, белизна немного меньше подвержена воздействию старения для массы, отбеленной без мелочи. Также было доказано, что отбеливание крафт-целлюлозы пероксидом водорода более эффективно после удаления первичной мелочи.
Для иллюстрации использовано фото Freepik
