Химия
и химические технологии/5. Фундаментальные проблемы создания новых материалов и
технологий.
К.т.н.
Коваленко М.В., аспирант Абрамов И.Н
Санкт-Петербургский
государственный технологический университет растительных полимеров, Россия
Влияние размола на морфологические свойства волокна
целлюлозы лиственницы
Осенью 2010 года ОАО
«Группа «Илим» совместно с Санкт-Петербургским Государственным Технологическим
Университетом Растительных Полимеров (СПбГТУРП) начала разработку проекта
«Лиственница», имеющего огромную перспективу для создания наукоёмкого
производства с выходом товарного продукта на международный рынок. В данном
проекте был осуществлён огромный ряд исследований, в числе которых
первоначально были произведены анализ микроскопического строения древесины
лиственницы [1] и изучены морфологические свойства волокна лиственничной
целлюлозы в зависимости от степени помола.
Как известно,
лиственница является наиболее
распространенной породой древесины Сибири, ее запасы на корню
составляют 79.15%, в том числе доля спелых и перестойных лиственничных лесов,
которые необходимо заменять молодыми посадками, составляет 45.7% [2]. На данный
момент возрастающий спрос на хвойную целлюлозу делает применение лиственницы
особо важным направлением в ЦБП.
Влияние размола
лиственничной целлюлозы, как волокнистой массы, на различные свойства
получаемого в дальнейшем продукта, очень велико. Волокна после размола
становятся гибкими и пластичными, увеличивается их поверхность за счёт
фибрилляции и набухания, обеспечивается лучший контакт и связь волокон в
бумажном листе, что придаёт материалу повышенную прочность. Также за счёт
укорочения, расщепления и фибрилляции волокон целлюлозы можно придать требуемую
структуру и физические свойства готовому материалу: объемный вес, пухлость,
пористость, впитывающую способность и др. [3]
Таким образом, изучение
изменения морфологических характеристик за счёт размола играет важную роль в
регулировании физико-механических свойств целевого готового материала и в
создании комбинаций с другими видами волокнистых полуфабрикатов. Полученная
информация полезна и для принятия решения о выборе режимов размола.
В данном исследовании
для сравнения использовались образцы целлюлозы, такие как: СФА хвойная белёная
целлюлоза сосны и СФА хвойная белёная целлюлоза лиственницы, СФА лиственная
белёная целлюлоза берёзы. Размол образцов целлюлозы проводился на лабораторной
мельнице PFI, измерение морфологических характеристик волокна было сделано на
приборе Morfi Compact.
График процентного
изменения среднечисловой (арифметической) длины волокна сосновой и
лиственничной целлюлозы от степени помола показан на рисунке 1.
Рис. 1. Процентное
изменение среднечисловой (арифметической) длины волокна сосновой и
лиственничной целлюлозы от степени помола
Из графика на рис. 1
видно, что уменьшение среднечисловой (арифметической) длины волокна как
целлюлозы сосны, так и лиственницы происходит практически одинаково. На
первоначальных этапах размола (13-22°ШР) происходит наиболее заметное
уменьшение длины волокна, примерно на 30%, как у сосны, так и у лиственницы. На
дальнейших этапах размола (22-60°ШР) происходит более медленное уменьшение
среднечисловой длины волокна, примерно на 20%.
Кривые процентного
изменения средневзвешенной длины волокна целлюлозы сосны и лиственницы от степени
помола показаны на рис. 2.
Рис. 2. Процентное
изменение средневзвешенной длины волокна сосновой и лиственничной целлюлозы от
степени помола
Из графика на рис. 2
видно, что средневзвешенная длина у целлюлозы сосны и лиственницы изменяется в
зависимости от степени помола более разносторонне, чем среднечисловая
(арифметическая) длина тех же самых образцов. Изменение средневзвешенной длины
от начальной точки без размола - 11°ШР, до конечной точки помола - 60°ШР,
составило для обоих образцов целлюлозы примерно 30%, что много меньше, чем
процентное изменение среднечисловой длины волокна тех же образцов. Это может
быть обусловлено увеличением процента мелочи при размоле.
Зависимость количества
мелочи, угла скручиваемости и грубости волокна от степени помола на мельнице
PFI представлены в таблице 1.
Таблица 1. Зависимость количества мелочи (%), угла
скручиваемости (град.) и грубости волокна (мг/м) образцов целлюлозы от степени
помола (°ШР):
|
Степень помола, 0ШР Refining degree, SR (amount of revolution) |
Процент мелочи от
значения средневзвешенной длины волокна, % Amount of fines, % |
Средний угол скручиваемости, град. Average degree of fiber curvature, 0 |
Грубость волокна, мг/м Coarseness, mg/m |
||||||
|
Сосна Pine |
Листвен-ница
Larix |
Береза Birch |
Сосна Pine |
Листвен-ница Larix |
Береза Birch |
Сосна Pine |
Листвен-ница Larix |
Береза Birch |
|
|
Без размола (without
refining) |
|||||||||
|
11 |
3,23 |
3,58 |
- |
87,48 |
89,29 |
- |
0,87 |
0,93 |
- |
|
Размол на мельнице PFI (PFI
Mill refining) |
|||||||||
|
13 (2000) |
2,78 |
3,89 |
- |
88,67 |
95,07 |
- |
0,75 |
0,86 |
- |
|
17 (4000) |
2,79 |
4,17 |
- |
84,96 |
101,45 |
- |
0,64 |
0,73 |
- |
|
22 (6000) |
3,08 |
4,35 |
4,1 |
87,43 |
98,25 |
76,39 |
0,51 |
0,66 |
0,110 |
|
35 (8000) |
3,36 |
5,20 |
4,9 |
84,66 |
95,28 |
73,95 |
0,44 |
0,56 |
0,108 |
|
50 (10000) |
3,46 |
5,50 |
- |
92,21 |
95,69 |
- |
0,39 |
0,45 |
- |
|
60 (12000) |
3,97 |
5,1 |
- |
83,4 |
76,74 |
- |
0,33 |
0,38 |
- |
Из таблицы 1 видно, что
средний угол скручиваемости, в конечном счете, уменьшается у всех образцов, так
как происходит выпрямление волокон за счёт их укорочения, это способствует
лучшему формованию бумажного листа. За счёт уменьшения толщины клеточной стенки
в процессе размола [4] грубость волокон всех образцов целлюлозы также
уменьшилась в конечной стадии размола. Количество мелочи увеличивается в
процессе размола на мельнице PFI у целлюлозы лиственницы в большей степени, чем
у целлюлозы сосны. Как известно, допустимое количество мелочи, содержащейся в
массе целлюлозы, улучшает физико-механические характеристики готового
материала, происходит увеличение прочностных, оптических и сорбционных
показателей [5,6].
Выводы
Целлюлоза лиственницы
поддаётся размолу на мельнице PFI также хорошо, как и целлюлоза сосны .
Процентное изменение
среднечисловой (арифметической) длины волокна целлюлозы лиственницы от точки
без размола до конечной точки помола в 60°ШР происходит практически также как и
у сосны и составляет 50%. Процентное изменение средневзвешенной длины у этих же
образцов целлюлозы составляет всего 30%. Таким образом, среднечисловая длина
волокон целлюлозы лиственницы и сосны в отличие от средневзвешенной изменяется
быстрее.
Целлюлоза лиственницы,
исходя из полученных данных, имеет тенденцию к использованию при получении
различной готовой продукции, а именно: целлюлозы для бумаги и картона,
целлюлозы для санитарно-гигиенических изделий и целлюлозы для химической
переработки.
Литература:
1. Э.Л. Аким, Л.К.
Молотков, Н.Н.Сапрыкина, Ю.Г. Мандре, М.В. Коваленко, Л.Г. Махотина, А.Д.
Сергеев, Н.В. Виноградов. Проект «Лиственница». Электронно-микроскопические
исследования анатомического строения древесины лиственницы, Целлюлоза. Бумага.
Картон., 2011, №07, .c. 26-31.
2. Уголев Б. Н.
Древесиноведение и лесное товароведение. – М.: МГУЛ, 2007 г., с. 351
3. Иванов С.Н.,
Технология бумаги, Изд.№3, М.: Школа бумаги, 2006 г., с. 36-37
4. Ramezani O., Nazhad Mousa M., The effect of coarseness on paper
formation, African Pulp and paper week, 2004, pp.1-2
5. Kangas H., Kleen M., Surface chemical and morphological properties of
mechanical pulp fines, Nordic Pulp and Paper Research Journal, Vol. 19, No. 2,
2004, p. 191
6. Mosbye J., Holte M., Laine J., and Moe S., Adsorption of model
colloidal extractives to different types of fines, 12-th International
Symposium on wood and pulping chemistry, Madison, USA, Vol. 1, 2003, pp 93-96