Экономические основы и технология производства бумаги и картона

Макулатуру в больших количествах используют в производстве гофрированного и коробочного картонов, упаковочной, туалетной и других видов бумаги. После соответствующей обработки она может быть использована также в композиции писчей, газетной и других видов бумаги для печати.

Из волокон растительного происхождения помимо древесных волокон для изготовления бумаги применяют волокна целлюлозы из соломы и тростника, 6агассы, хлопка льна и др. Целлюлоза из соломы и тростника легко размалывается и быстро повышает степень помола. Она отличается значительным сопротивлением водоотдаче, что исключает возможность ее использования на современных быстроходных бумагоделательных машинах из-за необходимости снижения скорости машины. Обычно такие виды целлюлозы применяют и композиции с другими видами волокнистых материалов в количестве от 15 до 60%.

При сравнении бумагообразующих свойств этих двух видов целлюлозы следует отметить, что при использовании тростниковой целлюлозы получается бумага с менее плотной структурой и сравнительно низкими показателями механической прочности, но с достаточно высокими показателями оптических свойств (гладкости, непрозрачности, чистоты поверхности). В композиции бумаги, предназначенной для печати, рекомендуется применять тростниковую целлюлозу при отсутствии древесной массы. Способность обезвоживаться соломенной и тростниковой целлюлозой в значительной степени зависит от способа и режима варки.

Стабильность белизны соломенной целлюлозы меньше, чем древесной, поэтому продолжительность хранения ее ограничена. Применение соломенной целлюлозы в композиции бумаги способствует равномерности вырабатываемой бумаги, уменьшению ее пыльности, а также повышению показателей сопротивлений бумаги выщипыванию и истиранию.

Синтетические волокна органического происхождения (винол, капрон, нитрон, лавсан) так же как и минеральные волокна, получили в последнее время применение при изготовлении специальных видов бумаги, отличающихся высокой прочностью на разрыв в воздушно-сухом и во влажном состояниях, химической стойкостью, стабильностью размеров при изменении относительной влажности окружающего воздуха, биостойкостью, светостойкостью, долговечностью, термостойкостью, пониженной горючестью, а также широким диапазоном эластичности. Бумагу изготовляют как из 100% таких волокон, так и из смеси их с растительными волокнами.

К волокнам неорганического происхождения относятся волокна стеклянные, базальтовые, асбестовые, металлические. Их используют для изготовления электро- и теплоизоляционных, фильтрующих, биостойких материалов и материалов, стойких к химическим воздействиям.

3.         Технологические этапы производства бумаги и картона

Для изготовления бумаги и картона применяют два типа бумагоделательных машин: плоскосеточные и круглосеточные. Первые используются для производства бумаги, вторые — картона. Основное отличие машин состоит в том, что в плоскосеточных машинах формирование бумажного полотна осуществляется на движущейся горизонтальной сетке, а в круглосеточных — полотно формуется на вращающейся цилиндрической сетке.

Размол полуфабрикатов. Размолом называется процесс специальной механической обработки растительных волокон в присутствии воды, выполняемый в размалывающих машинах—мельницах. Размол является одним из важнейших процессов бумажного производства, позволяющих в широком интервале значений изменять многие свойства бумаги. Производится размол волокон в машинах непрерывного действия (в конических, цилиндрических и дисковых мельницах). Общим для размалывающих аппаратов является то, что, работа их основана на принципе скрещивающихся ножей и трущихся поверхностей.

Проходя между ножами размалывающих машин, волокна подвергаются воздействию механических и гидродинамических сил, приводящему к протеканию сложных физико-химических и коллоидных процессов в структуре волокон. В результате происходят некоторое укорочение волокон (рубка), поверхностное расщепление и расчесывание в продольном направлении структуры клеточной стенки на фибриллы (поверхностное фибриллирование), набухание и гидратация волокон. Волокна становятся более мягкими, повышается их эластичность и пластичность. В процессе фибриллирования ослабляются и разрушаются связи между отдельными фибриллами клеточной стенки волокон. На поверхности фибрилл образуется «начес» тонкого пухообразного материала, состоящего из целлюлозных молекул. В результате увеличивается удельная поверхность, способствующих лучшему контакту и соединению отдельных волокон в бумажный лист. Увеличение удельной поверхности волокон повышает их способность удерживать воду.

В зависимости от режима размола можно получать бумажную массу различной степени помола: от низкой (садкая масса) до высокой (жирная масса). Для получения садкой массы размол ведут в режиме, обеспечивающем преимущественно рубку волокон над поверхностным фибриллированием. В процессе формования листа бумаги масса низкой степени помола (садкая) быстро оседает на сетке, легко обезвоживается и образует рыхлую и пористую структуру листа. Для высокой степени помола массы (жирная масса) характерно преобладание фибриллированных волокон с хорошо разработанной поверхностью, которые труднее обезвоживаются на сетке бумагоделательной машины и образуют плотную, сомкнутую и прочную структуру листа. Характер помола массы выбирают в зависимости от вида и качества вырабатываемой бумаги и картона.

Прочность бумаги характеризуется рядом показателей: сопротивлением разрыву, излому, продавливанию, надрыву и раздиранию, для каждого вида и сорта бумаги имеющим определенное значение, и в общем зависит от прочности волокон, их длины, прочности связи между волокнами и структуры бумажного листа.

Лист бумаги при испытании разрывается по наиболее слабому месту. Этим слабым местом в большинстве случаев являются не сами волокна, а связи между ними. При разрыве листа по обе стороны в месте разрыва наблюдается преимущественное вытаскивание волокон из толщи листа, что указывает на разрыв связи между ними. И только часть волокон рвется в поперечном направлении.

Основными факторами, влияющими на качество помола целлюлозы, являются: продолжительность размола, удельное давление между ножами мельниц, концентрация массы, тип размалывающей гарнитуры, окружная скорость ротора или барабана, температура массы при размоле. К управляемым факторам относятся продолжительность, удельное давление, концентрация и температура массы.

Для размола волокнистых полуфабрикатов на предприятиях, вырабатывающих массовые виды бумаги и имеющих большую производительность, применяются дисковые мельницы. Массный размол проводится в однодисковых и сдвоенных мельницах с закрытой камерой, которые обеспечивают производительность до 650 т/сут.

Широкое применение дисковых мельниц обусловлено быстрым развитием производства волокнистых полуфабрикатов высокого выхода. Они вытесняют другие виды размалывающего оборудования (конические мельницы, роллы) благодаря следующим преимуществам: возможности размола при высокой концентрации массы (до 40 %); более низкому удельному расходу энергии; большой единичной мощности и производительности, компактности, простоте конструкции; более широкой области применения (размол целлюлозы, полуфабрикатов высокого выхода, древесной щепы, отходов сортирования древесно-массного и целлюлозного производств); возможности получения более однородной по структуре массы.

Основные рабочие элементы мельницы – статор (корпус) и ротор – выполнены в виде конусов. Внутреннюю поверхность статора и внешнюю поверхность ротора образуют сменные ножевые рубашки. Зазор между ножами статора и ротора регулируется перемещением (присадкой) ротора вдоль его оси при помощи присадочного механизма. При работе мельницы движение массы осуществляется в направлении от малого диаметра ротора к большему. Производительность мельницы но воздушно-сухому волокну 4—16 т/сут, частота вращения ротора 1000 мин-1, площадь поверхности соприкосновения гарнитуры ротора и статора 0,40 м2.

Проклейка. Назначение проклейки — придание бумаге или картону ограниченных впитывающих свойств по отношению к воде, чернилам, типографской краске и другим жидкостям и улучшение многих других физико-механических свойств. При неограниченном впитывании (у неклееной бумаги), например, чернил, они будут впитываться в толщу листа бумаги, расходиться и проходить на его обратную сторону. Полное отсутствие впитывающих свойств будет вызывать стекание чернил с поверхности бумаги. Первое и второе явление делают бумагу непригодной для письма и печати. Поэтому процесс проклейки призван обеспечивать для каждого конкретного вида бумаги и картона свою строго определенную впитывающую способность, которая оценивается степенью проклейки.

Различают поверхностную проклейку и проклейку в массе. Поверхностную проклейку осуществляют нанесением крахмального или животного клея на поверхность готовой бумаги. Применяется она для производства некоторых специальных высокосортных видов бумаги – документной, чертежной, картографической и др. Подавляющее большинство видов бумаги и картона проклеивается введением проклеивающих веществ в бумажную массу перед отливом бумажного листа, т. е. проклеивается в массе. Для проклейки в массе применяют гидрофобные (водоотталкивающие) вещества, а процесс проклейки все чаще называют гидрофобизацией бумаги или картона. Основным гидрофобизующим веществом является канифоль, выделяемая из смолы хвойных древесных пород.

На многие предприятия проклеивающие вещества поступают в виде готового клея – клея-пасты (это сваренный клей, но еще не разведенный водой). После разбавления водой до требуемой концентрации он готов к применению. Это исключает необходимость иметь на предприятии клееварочное отделение, и, что важнее, клей всегда получается стабильным и высококачественным. В перспективе планируется все предприятия перевести на использование клея-пасты, поставляемого централизованно с нескольких клееварочных заводов.

Наполнение. Под наполнением бумаги понимают введение в композицию бумаги минеральных веществ-наполнителей для улучшения ее качества и экономических показателей. Введением наполнителей в композицию бумаги достигаются следующие цели: снижается себестоимость производства бумаги, так как стоимость наполнителя ниже стоимости волокон, часть которых заменяется наполнителем; повышается белизна бумаги, поскольку почти все наполнители имеют более высокую степень белизны, чем волокна; существенно увеличивается гладкость поверхности бумаги за счет заполнения частичками наполнителя пор и неровностей между волокнами на шероховатой поверхности листа; уменьшается непрозрачность бумаги, что дает возможность писать и печатать с обеих сторон листа; улучшается равномерность просвета; увеличивается мягкость и пластичность – бумага меньше «шумит» при перелистывании; снижается объемная масса, пористость и, следовательно, впитываемость типографских красок и т. п.

О содержании наполнителя в бумаге судят по показателю зольности бумаги, который определяют по массе прокаленного остатка после сжигания навески бумаги и выражают в % к массе бумаги. Зольность бумаге придает в основном наполнитель, так как естественная зольность волокон менее 1 %.

По зольности бумагу делят на четыре группы: бумага с естественной зольностью — фильтровальная, электроизоляционная, основа для фибры и пергамента, жиронепроницаемая; наполнители не вводятся.

Ø   бумага малозольная (с зольностью до 5%)—газетная, мундштучная, обойная и др.; в этих видах бумаги важно сохранить механическую прочность, поэтому повышение содержания наполнителей, существенно снижающих механические показатели бумаги, нецелесообразно;

Ø   бумага средней зольности — писчая с зольностью до 6—8%, некоторые виды бумаги для печати с зольностью до 15%; в эти виды бумаги наполнитель вводится в ограниченных количествах;

Ø   бумага высокозольная (зольность свыше 15%) — это типографская, для глубокой печати и др.; для этих бумаг важно иметь хорошие печатные свойства и высокую непрозрачность, поэтому содержание наполнителя в них большое.

Общим недостатком введения наполнителей является заметное снижение механической прочности и степени проклейки бумаги. Кроме того, с увеличением содержания наполнителей в большей степени обнаруживается пылимость бумаги — явление отделения от поверхности бумаги мелких волокон, частиц наполнителя, проклеивающих веществ. Этот эффект резко ухудшает качество печати — бумажная пыль прилипает к печатной форме, забивает набор и клише.

Аккумулирование. Приготовление бумажной массы проводят в размольно-подготовительном отделе. Потоки волокнистых, наполняющих, проклеивающих, окрашивающих и других материалов, составляющих композицию данного вида будущей бумаги, направляются в дозатор или составитель композиции, где они непрерывно и строго дозируются в заданном соотношении, а затем поступают в мешальный бассейн. В этом бассейне масса тщательно перемешивается и аккумулируется (накапливается).

Рафинирование (очистка). Рафинирование бумажной массы производится перед ее подачей на машину в аппаратах непрерывного действия — конических и дисковых мельницах. В процессе рафинирования бумажной массы происходит выравнивание степени помола массы, устранение пучков волокон и некоторый подмол массы. Для этого мельницы устанавливают после машинного бассейна непосредственно перед бумагоделательной машиной.

Выпуск массы на бумагоделательную машину. По выходе из машинных бассейнов масса при концентрации 2,5— 3,5 % дозируется и направляется на бумагоделательную машину. Перед поступлением на машину она разбавляется оборотной водой, очищается от посторонних загрязнений, а также от узелков и комочков. Для поддержания постоянной массы 1 м2вырабатываемой бумаги необходимо, чтобы в единицу времени на сетку машины поступало одно и то же количество массы, при этом скорость машины должна быть постоянной. Скорость машины изменяют при переходе на выработку другого вида бумаги.

На современных бумагоделательных машинах массу 1 м2 вырабатываемой бумаги поддерживают постоянной автоматическими регуляторами. На бумагоделательную машину массу подают с помощью насоса и ящика постоянного напора. Масса, поступающая на бумагоделательную машину, разбавляется водой в смесительном насосе. Разбавление необходимо, во-первых, для последующей очистки массы, так как из густой массы трудно удалять загрязнения, и, во-вторых, для лучшего формования бумаги на сетке бумагоделательной машины.