Теория размола

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

_____________________________________________________________

 

Кафедра технологии бумаги и картона

 

 

 

 

 

 

Реферат

на тему:

«Теория размола»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2013

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. ТЕОРИЯ РАЗМОЛА

 

1.1.Общие  сведения

 

Размол волокнистой массы – процесс механической обработки волокон в присутствии воды, является одним  из самых важных операций бумажного производства. От размола в значительной степени зависят многие свойства бумаги. Лист бумаги, отлитый из не размолотых волокнистых материалов, имеет неравномерную структуру, низкую прочность и высокую пористость, обладает неравномерным, облачным просветом. Это объясняется тем, что сравнительно длинные жесткие волокна сплетаются в хлопья и, оседая на сетке, дают неоднородный по структуре лист. Не размолотые волокна обладают малой пластичностью, слаборазвитой поверхностью и мало гидратированы, вследствие чего такие волокна плохо связываются друг с другом в бумажном листе.

Цель размола волокнистых материалов заключается в следующем: подготовить волокнистый материал к отливу, придать ему определенную степень гидратации, сделать волокна гибкими, пластичными, увеличить их поверхность (фибрилляцией и набуханием), обеспечить лучший контакт и связь волокон в бумажном листе (придать ему прочность); придать бумажному листу путем укорочения, расщепления и фибрилляции волокон требуемую структуру и физические свойства: объемный вес, пухлость, пористость, впитывающую способность и др.

Размол ведется в присутствии воды при концентрации волокнистой массы 2—8% в размалывающих аппаратах периодического и непрерывного действия — роллах, конических мельницах, рафинерах и др. Независимо от типа размалывающего аппарата принцип размола в волокна один и тот же. Он заключается в том, что волокнистая суспензия непрерывным потоком поступает к ножам рабочего органа аппарата, состоящего из неподвижно закрепленных ножей (статора) и вращающихся ножей, расположенных на барабане, конусе или диске (роторе). Проходя между ножами ротора и статора, зазор между которыми можно регулировать, волокна подвергаются режущему действию кромок ножей и укорачиваются или расщепляются в продольном направлении, раздавливаются торцовыми поверхностями ножей и фибриллируются.

 

1.2.Теория  процесса размола

В результате указанных воздействий волокна при размоле в водной среде претерпевают значительные изменения как в структуре, так и в физико-химических свойствах. Бумажная масса при длительном размоле становится жирной на ощупь, она гораздо труднее отдает воду при обезвоживании на сетке бумагоделательной машины, а получаемый из нее лист бумаги отличается большей усадкой при сушке, плотностью и прочностью.

Эти изменения в свойствах массы и бумаги настолько значительны, что трудно объяснить их только одним механическим измельчением волокон. Поэтому не удивительно, что первыми теориями размола были химические теории. Их авторы Кросс и Бивен полагали, что вода при размоле вступает в химическое взаимодействие с целлюлозой, образуя желатинообразный гидрат. Отсюда и произошел термин гидратация при размоле, широко применяемый в бумажном производстве. Другой автор химической теории Швальбе полагал, что при размоле могут получаться гидро- и оксицеллюлоза, образующие слизь, которая склеивает волокна в бумажном листе при сушке .

Химическая теория размола волокнистых материалов сыграла известную положительную роль: она способствовала применению при размоле ролльных добавок (крахмала, производных целлюлозы и других гидрофильных коллоидов), ускоряющих процесс размола и повышающих прочность бумаги.

Последующие исследования, посвященные выяснению изменения химического состава волокна при размоле, показали несостоятельность химических теорий этого процесса. Исследования Кресса, Бьялковского, Керрена и других ученых показали, что химический состав волокна и его рентгенограмма при размоле не изменяются. Происходит лишь небольшое уменьшение степени полимеризации целлюлозы, увеличивается растворимость в щелочах и гидролизное число. Эти явления объясняются увеличением поверхности и доступности целлюлозного волокна для действия щелочных и кислотных реагентов, а также частичным разрушением целлюлозных цепей при длительном размоле.

Позднее была выдвинута физическая теория размола. Ее авторы Стречен и Кемпбелл пытались объяснить свойства, приобретаемые массой и бумагой при размоле, только одним физическим процессом измельчения волокон. При этом Стречен придавал большое значение процессу фибриллирования, объясняя связь между волокнами в бумаге механическим переплетением поверхностных фибрилл, а Кемпбелл — силам поверхностного натяжения воды, под влиянием которых волокна сближаются при сушке и образуют лучший контакт друг с другом.

Физическая теория размола также не могла объяснить причину возникновения межволоконных связей в бумаге и потерю прочности ее после увлажнения. Позже эти авторы выдвинули гипотезу «частичной растворимости» целлюлозы в воде и «рекристаллизацию» целлюлозных цепей при сушке, чтобы объяснить природу межволоконных связей в бумаге.

Дж. Кларк в 1943 г. выдвинул другую теорию размола. У Стречена он взял его концепцию о фибрилляции волокна, а у Кемпбелла — идею частичной растворимости целлюлозы в воде и действие поверхностного натяжения при сушке. Эти представления он дополнил своими наблюдениями о влиянии первичной стенки на набухание и фибрилляцию волокон. Однако и эту теорию нельзя было признать вполне удовлетворительной.

Еще раньше Я. Г. Хинчин высказал предположение, что при размоле происходит освобождение полярных гидроксильных групп у макромолекул целлюлозы, находящихся на поверхности микрофибрилл наружных стенок волокна, и что, по-видимому, через эти группы соседние волокна связываются между собой в бумажном листе. Однако это предположение ничем не подтверждалось.

В 1940 г. Эллисом и Бассом было установлено, что межмолекулярное взаимодействие между цепями целлюлозы в клеточных оболочках волокна осуществляется через гидроксильные группы за счет водородной связи. Как известно, водородная связь - особый вид межмолекулярного взаимодействия, осуществляемого атомами водорода между двумя другими электроотрицательными атомами, например кислородом, фтором, азотом или хлором. Этот вид связи проявляется у веществ, обладающих высоким дипольным характером. Энергия водородной связи находится в пределах 3-8 ккал/моль. Она значительно больше энергии связи сил Ван - дер - Ваальса, но меньше энергии химической связи.

Водородная связь через кислород типа -ОНО- возникает между атомами на расстоянии 2,55—2,75 А. Полагают, что в ориентированных участках целлюлозы гидроксильные группы целиком включены в водородную связь, а в аморфных — частично. При намокании целлюлозного материала вода проникает в доступные участки аморфной целлюлозы и разрушает водородную связь, заменяя ее менее прочной водной связью также через водородный мостик. При дальнейшем набухании целлюлозы в отдельных ее участках образуются не только мономолекулярные, но и полимолекулярные водные пленки, причем связь между цепями ослабевает, а гибкость и пластичность волокон повышаются.

Открытие водородной связи в целлюлозных материалах сыграло важную роль в развитии современной теории размола. В основу ее положена гипотеза, что межволоконная связь в бумаге имеет ту же природу, что и межмолекулярные связи в целлюлозе. Одновременно аналогичные взгляды на процесс размола были высказаны и другими исследователями.

В современной теории размола особое значение придается слоистому, фибриллярному строению волокна, содержанию в нем гемицеллюлоз, способствующих набуханию и фибрилляции волокон. Благодаря этим процессам при размоле волокно становится гибким и пластичным, увеличивается связанная поверхность между волокнами и образуются межволоконные связи в готовой бумаге.

Процесс фибрилляции заключается в ослаблении и разрушении связей между отдельными фибриллами и микрофибриллами клеточной стенки под влиянием механических воздействий и проникновения воды в межфибриллярные пространства, т. е. в области аморфной целлюлозы, где сосредоточена главная часть гемицеллюлоз. Последние, располагаясь на поверхности фибрилл, усиленно набухают, повышая гибкость и пластичность волокон, что способствует скольжению фибрилл в клеточной стенке друг относительно друга.

Фибрилляция может происходить как на поверхности, так и внутри клеточной стенки волокна. В первом случае поверхность волокна разрушается и от нее отделяются фрагменты клеточных оболочек и фибрилл, образуя своеобразный ворс на поверхности волокна, видимый при большом увеличении микроскопа. Такая фибрилляция увеличивает наружную поверхность волокна и его способность к образованию межволоконных связей, однако она ослабляет прочность самого волокна и снижает сопротивление бумаги раздиранию. При внутренней фибрилляции отделения фибрилл не происходит, повышается лишь гибкость и пластичность волокон в результате усиленного набухания гемицеллюлоз в межфибриллярных пространствах, ослабления и частичного разрушения связей между фибриллами. Такая фибрилляция сообщает волокну способность к образованию межволоконных связей, не снижая прочности самого волокна, а потому она является более желательной.

Таким образом, можно сказать, что главное действие размола заключается в подготовке поверхности волокон для образования межволоконных связей и в придании волокнам способности связываться между собой в прочный лист, что достигается частичным разрушением и удалением наружных клеточных оболочек, приданием волокнам гибкости и пластичности вследствие ослабления и частичного разрушения межфибриллярных связей вторичной клеточной стенки (фибрилляция волокна) и усиленного набухания целлюлозного волокна и особенно гемицеллюлоз в межфибриллярных пространствах и на поверхности фибрилл (гидратация волокна при размоле).

Второе важное действие размола заключается в укорочении волокон и частичном их расщеплении по длине, что необходимо для предотвращения флокуляции волокон при листообразовании и улучшения формования, а также для придания бумаге требуемой структуры при выработке тонких, жиронепроницаемых, впитывающих и других видов бумаги.

Таким образом, механические процессы измельчения волокон обусловливают главным образом структуру бумажного листа. Благодаря межволоконным силам связи бумага приобретает плотность и прочность, а пористость и пухлость ее снижаются.

1.4.Контроль за процессом размола

Для оценки качества массы при размоле применяют различные методы и приборы. Степень помола массы в большинстве стран Европы определяют на приборе Шоппер-Риглера, в Америке, в Скандинавских странах и в Англии широко используется также и канадский стандартный прибор. На обоих этих приборах определяют способность бумажной массы пропускать через себя воду; полученные данные характеризуют степень разработки и измельчения волокон, а также степень их гидратации при размоле. Однако по показаниям этих приборов еще нельзя судить о средних размерах волокон. Среднюю длину волокна определяют на приборах Иванова, Имсета и полуавтоматическом курвиметре, на котором также определяют и фракционный состав массы по длине волокон. Визуальную оценку структуры и размеров волокон производят с помощью микроскопа и микропроекционного аппарата. Способность массы удерживать воду определяют по методу Джайме. При исследовательских работах определяют также скорость обезвоживания массы, сжимаемость, набухший объем волокна, удельную поверхность.

Для оценки структуры волокна при размоле массы пользуются микроскопом или микропроекционным аппаратом, который устанавливают в темной комнате. Изображение волокна направляют на большой экран, разграфленный на квадраты, масштаб которых позволяет оценивать волокна по длине. Однако определение средней длины волокна с помощью микроскопа сложно, требует опыта от работников и занимает много времени.

В 1946 г. Иванов С.Н. разработал метод и аппарат для быстрого определения средневзвешенной длины волокна в бумажной массе. Общий вид прибора показан на рис. 1.

Рис. 1. Прибор для определения средней длины волокна в массе: 1-рамка; 2-воронкообразный  сосуд; 3-откидной клапан; 4-кружка; 5-рычажные  весы

 

 Кроме, прибора Иванова, для  быстрого определения средневзвешенной  длины волокна применяется также  прибор Имсета. Основным рабочим органом служит вращающийся от моторчика вертикальный стержень с четырьмя тонкими спицами, расположенными перпендикулярно к стержню. Проба волокнистой суспензии протекает сверху вниз через отверстие сосуда, расположенного над вращающимися спицами, которые захватывая отдельные волокна, отбрасывают их в приемную кольцевую камеру. Вес уловленных волокон из суспензии служит мерой средней длины волокна.

В последние годы в Финляндии и Швеции были выпущены полуавтоматические приборы для определения фракционного состава массы по длине волокон. В этих приборах микроскопическое изображение волокон отбрасывается на стеклянный столик прибора, разграфленный на несколько секторов, и оператор с помощью курвиметра, снабженного мерным колесом, обводит изображения всех волокон. При этом электронный счетчик сразу суммирует результаты анализа, регистрируя отсчеты по фракциям. На основании полученных результатов фракционного состава можно вычислить среднеарифметическую и средневзвешенную длину волокна. Эти приборы дают более надежные и быстрые измерения по сравнению с измерениями, выполненными с помощью обычного микроскопа, однако они значительно уступают в скорости определения средней длины волокна на приборах Иванова и Имсета.