Московский экономический журнал 4/2018

УДК 676.16.022.6.034

DOI 10.24411/2413-046Х-2018-14019

ПАРАМЕТРЫ РАЗМОЛА И ИХ РОЛЬ В ОПРЕДЕЛЕНИИ БУМАГООБРАЗУЮЩИХ СВОЙСТВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

THE GRINDING PARAMETERS AND THEIR ROLE IN DEFINING THE PAPER-FORMING PROPERTIES OF CELLULOSE

Чу Конг Нгьи, аспирант Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Киров

Хоанг Минь Кхоа, аспирант Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова

Chu Cong Nghi, post-graduate student, St. Petersburg state forest engineering University. S. M. Kirov

Hoang Minh Khoa, graduate student, Northern (Arctic)Federal University. M. V. Lomonosov

Аннотация: В статье рассмотрены параметры размола и их роль в определении бумагообразующих свойств целлюлозы. Автор приходит к выводу, что основной оперативный фактор  размола бумажной массы  — это частота вращения ротора размалывающего оборудования, он позволяет осуществлять управление рассматриваемым процессом, при этом, частота вращения ротора важную роль играет при оценке особенностей размола целлюлозы хвойных пород древесины. Проведение экономичного размола может проводиться двумя способами:  если имеют  место высокие обороты и минимальные затраты времени или же низкие обороты и высокая продолжительность. Наилучший режим  выбирается с учетом  свойств бумаги,  получаемой на выходе.

Ключевые слова: размол, целлюлоза, размалывающее оборудование, частота вращения ротора.

Key words: grinding, cellulose, grinding equipment, rotor speed

   На структуру и свойства волокнистой основы  влияют свойства компонентом самой целлюлозной композиции,  а также количество веществ, которые проклеивают и наполняют его (такие вещества применяют в технологии изготовления бумаги). Изготовляя различные виды бумаги, обычно применяют бумагу-основу, на производство которой  идут два, три  и более волокнистых полуфабрикатов, посредством синтеза которых  создается композиция бумаги по виду волокон, или из одного волокнистого полуфабриката,  который специально подготовлен для данного процесса [9]. Также, в качестве основного фактора,  определяющего комплекс конечных свойств готовой бумажной продукции,  выступает химический состав исходных волокнистых материалов,  для определения которых используют вид и способ получения волокнистых масс.

   В понятие «химический состав технической целлюлозы» включается соотношение содержания в ней α, β и γ-целлюлоз, гемицеллюлоз и лигнина. При этом,  процент содержания α-целлюлозы в разных видах целлюлозы может быть одинаков, но разной может быть длина их цепей, которая, в свою очередь, влияет на свойства технической целлюлозы. Если содержание α-целлюлозы высоко, то волокнистому материалу свойственны показатели, имеющие  повышенную прочность, химическую и термическую стойкость, а также долговечность и стабильность белизны [12].

   Но чтобы получить прочное полотно бумаги-основы, нужно  иметь гемицеллюлозные спутники. Высоким содержанием α-целлюлозы должен отличаться и волокнистый материал, подвергаемый химической переработке. За счет добавки подобного материала (в частности, производя вискозу, используют облагороженную целлюлозу) к размолотой обычной технической целлюлозе готовится бумага, имеющая более равномерный просвет и повышенные показатели, определяющие  впитывающую способность и пухлость, хотя и имеющие несколько пониженные показатели механической прочности [12].

   Чтобы заменить тряпичные волокна при изготовлении бумаги-основы для пергамента,  добавляется подобная облагороженная целлюлоза, имеющая  высокое содержание α-целлюлозы к прочной беленой целлюлозе. β-целлюлоза  включает наиболее длинные гемицеллюлозные цепи, а также продукты деструкции длинных целлюлозных, молекул во время химической очистки, старения и других процессов, при которых возможно наличие деструкции. β-целлюлозе свойственная длина цепей,  которые содержат глюкозные остатки  в количестве от 50 до 200. Исходная древесина и прочная сульфатная целлюлоза β-целлюлозу не содержит. В большом количестве она включена в только в хорошо проваренную, легко белимую сульфатную целлюлозу [3].

   Из целлюлозы, которой свойственно высокое содержание β-целлюлозы, получают относительно слабую бумагу,  но при этом она проще подвергается отбеливанию, так как условия ее варки достаточно жесткие, что способствует удалению большого количества лигнина.

   γ-целлюлоза – самая низкомолекулярная часть технической целлюлозы. Она  включает гемицеллюлозные цепи и низкомолекулярные осколки, образованные в процессе деструкции целлюлозных молекул.

   На качество целлюлозы и в также на ряд бумагообразующих факторов влияют параметры размола. Общеизвестным является то, что из многих факторов размола (продолжительности, удельного давления, концентрации массы, вида размалывающей гарнитуры, окружной скорости размалывающих органов, рН и температуры массы, наличия гидрофильных добавок) активными и наиболее применяемыми считают удельное давление при размоле, определяемое посредством расчета зазора между дисками размалывающей гарнитуры [3].

   Среди активных переменных факторов также выделяется и окружная скорость размалывающих органов,  но в практической деятельности указанный фактор обычно не используют. У оперативного фактора размола «нагрузка мельницы» имеется низкая избирательность при размоле смесей, включающих длинноволокнистую (хвойную) и коротковолокнистую (лиственную) целлюлозу.  Считается, что для всех видов волокон, в случае, если повышается удельная нагрузка при размоле, то возрастает рубка (укорачивание) волокон; если же она снижается, то растет их фибриллирование волокон [11].

   Чтобы улучшить управляемость процессом размола смесей, включающих хвойную и лиственную целлюлозу, как второй оперативный фактор используется  частота вращения ротора мельницы. Если изменяется частота вращения, то  пропорционально ей происходят изменения важнейших характеристик размола – удельной нагрузки при размоле, интенсивности размола, секундной режущей длины гарнитуры. Наиболее полно  оценить процесс размола массы можно в процессе контроля не только степени помола, но и длины волокон. На основании анализа соотношения в изменении этих двух показателей (которое демонстрирует так называемый коэффициент ужирнения (K),  можно оценить направление процесса размола: будет ли иметь место гидратация (ужирнение) или механическое укорочение волокон. Указанный коэффициент  определяют, соотнося прирост степени помола Δg (°ШР) и укорочения волокон Δl, выраженный в процентах от их исходной длины:  

K = Δg/Δl.

   При K < 1,1 помол может быть назван садким, то есть здесь будет иметь место процесс укорочения волокон. Если же  K = 1,1–1,3, то говорят о среднем помоле. При K > 1,3  помол будет считаться  жирным, то есть  движение размола будет направлено в сторону гидратации [11].

   Оценку влияния частоты вращения ротора дисковой мельницы, определяющая параметры бумажной массы, качество бумаги целесообразно проводить на лабораторной размалывающей установке ЛКР-1, имеющей в своей структуре частотный привод. При этом выставляется зазор между дисками ротора и статора лабораторной мельницы (0,2 мм). В процессе исследования использовали беленую сульфатную целлюлозу хвойной  и лиственной породы деревьев. Выходными параметрами определяли степень помола бумажной массы (°ШР), средневзвешенную длину волокна по методу Иванова (дг),  также учитывали показали скорости обезвоживания (мл/с) и коэффициента ужирнения массы (K) по Иванову.

   По результатам экспериментальных исследований,  если увеличивается частота вращения ротора мельницы, то это характеризуется ростом степени помола массы и снижением средне-взвешенной длины волокон и скорости обезвоживания и для хвойной, и для лиственной целлюлозы [11].

   Характер размола, который позволяет выразить коэффициент ужирнения, для целлюлозы индивидуальных пород древесины  является различным: если целлюлоза хвойная, то в если частота вращения ротора дисковой мельницы повышается с 1000 до 2000 мин –1, то имеет место не садкий, а жирный  характер размола. В результате размола, если частота вращения 1000 мин –1, то размолотая масса  является садкой, значение коэффициента ужирнения массы менее 0,8; скорость обезвоживания является высокой – 14,9–54,4 мл/с; если  же частота вращения 1500 и 2000 мин –1, то  скорость обезвоживания характеризуется низкими значениями – 3,1–8,7 и 2,7–8,4 мл/с, масса  будет жирной,  а коэффициент ужирнения будет иметь рост до 1,58 и 2,28 соответственно.  Если повышается частота вращения ротора мельницы, то имеет место меньшее укорочение волокон – средневзвешенная длина волокон для хвойной целлюлозы возрастает с 65 до 79 дг в случае, если   максимальное время размола 45 мин.

   Лиственная целлюлоза  отличается иным характером  размола. Например,   если  увеличивается частота вращения ротора дисковой мельницы с 1000 до 2000 мин –1, то это  не влияет на процесс укорочения волокон – снижения значений средневзвешенной длины  будут практически одинаковыми для каждой частоты вращения при времени размола 45 мин. Характер размола при всех частотах вращения ротора мельницы  будет изменяться от жирного (время размола 15 мин) до средне-жирного к концу размола (45 мин) [11].

   Полученная размолотая масса,  отобранная после 15, 30 и 45 мин при каждой частоте вращения, была направлена на изготовление и испытание образцов бумаги в лабораторных условиях.  Для  указанных образцов использовался листоотливной аппарат («Rapid-Ketten»). К полученным образцам бумаги  было применено кондиционирование в стандартных условиях по ГОСТ 13523-78. Также они были подвергнуты определению  плотности, толщины по ГОСТ 27015-86, влажности по ГОСТ 13525.19-91, массы одного метра квадратного образцов по ГОСТ 13199-88. Также испытания производили на разрывную длину по ГОСТ ИСО 1924-1-96 и сопротивление излому по ГОСТ ИСО 5626-97.

   Результаты эксперимента показали, что если время размола увеличивалось, то  имел место  рост механической прочности бумаги. Также  имел место рост  разрывной длины (от 2,31–2,34 до 7,84–8,82 км) и сопротивление излому (от 1–15 до 355–955 д.п.).

   Динамику интенсивного прироста значений разрывной длины  можно было наблюдать в течение тридцати минут размола  по всему диапазону скоростей вращения (это касалось как лиственной, так и хвойной целлюлозы). Если в дальнейшем  время размола увеличивалось, тио рассматриваемые показатели отличались незначительным   приростом, а иногда – и снижением.

   Также   были отмечены  отличия зависимости сопротивления бумаги излому по хвойной и лиственной целлюлозе. В случае с хвойной целлюлозой этот показатель имеет такой же характер, как и для разрывной длины  (основной рост значений наблюдается до тридцати минут размола).  Если целлюлоза лиственная, рост сопротивления излому увеличивается, если растет время размола, так и частота вращения ротора дисковой мельницы. Причина этому —  повышение фибриллированности волокон – степень помола увеличивается с 22 до 88°ШР.

   Удельному расходу энергии на размол как для лиственной, так и для хвойной целлюлозы свойственны одинаковые закономерности. Если частоты вращения ротора мельницы  составляют1500 и 2000 мин –1, то указанный показатель растет с 0,023 до 0,046 Вт/°ШР·г для хвойной целлюлозы и с 0,024 до 0,045 Вт/°ШР·г с увеличением времени размола от 15 до 45 мин. Однако разницу между значениями затрат энергии для индивидуальных пород древесины  можно считать незначительной: при 2000 мин –1 и 45 мин размола указанный показатель равен 0,045 и 0,046 Вт/°ШР·г как для лиственной, так  и для хвойной целлюлозы. Если частота вращения ротора мельницы  составляет 1000 мин –1, то  удельному расходу энергии  свойственно снижение с увеличением времени размола.  Например, если имеет место размол хвойной целлюлозы, то расход энергии после 15 мин составит 0,066 Вт/°ШР·г, после же 45 мин – 0,041 Вт/°ШР·г.  Причина этому в том, что если обороты низкие, то волокна укорачиваются, а указанный процесс влечет за собой высокие энергетические затраты. Это подтверждается данными, характеризующими  средневзвешенную длину волокон (значительное снижение показатели происходит именно тогда, когда имеет место именно эта частота вращения ротора). Если время размола растет, то количество длинных волокон  снижается, а расход энергии уменьшается.

   Таким образом, основной оперативный фактор  размола бумажной массы  — это частота вращения ротора размалывающего оборудования, он позволяет осуществлять управление рассматриваемым процессом, при этом, частота вращения ротора важную роль играет при оценке особенностей размола целлюлозы хвойных пород древесины. Проведение экономичного размола может проводиться двумя способами:  если имеют  место высокие обороты и минимальные затраты времени или же низкие обороты и высокая продолжительность. Наилучший режим  выбирается с учетом  свойств бумаги,  получаемой на выходе.

Литература:

1. Вайсман Л.М. Структура бумаги и методы ее контроля. – М.: Лесная промышленность, 1973. – 152 с.
2. Иванов, С. Н. Технология бумаги / С. Н. Иванов. – 3-е изд. – М.: Школа бумаги, 2006. – 696 с.
3. Ермаков С.Г., Хакимов Р.Х. Технология бумаги. – Пермь: Пермский гос. Тех. Университет, 2002.
4. Кусмауль К.В. Тара с повышенными потребительскими свойствами. – М.: ЦНИИТЭИМС, 1966. – 18 с.
5. Мишурина О.А., Муллина Э.Р., Жерякова К.В., Корниенко Н.Д., Фёдорова Ю.С. Анализ влияния сорбционных свойств бумаги-основы на процесс адгезии при получении различных видов бумажной упаковки // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 6–2. – С. 200–202.
6. Мишурина О.А., Тагаева К.А. Исследование влияния композиционного состава по волокну на влагопрочностные свойства исходного сырья при производстве картонных втулок // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. – 2013. – Т. 1. № 71. – С. 286–289.
7. Муллина Э.Р., Чупрова Л.В., Мишурина О.А., Ершова О.В.Исследования возможности улучшения эксплуатационных свойств упаковочных материалов путем химической модификации сорбционных показателей бумаги-основы // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1. – С. 300. – URL: www.science-education.ru/121-18874 (дата обращения: 24.09.2015)
8. Гончаров, В. Н. Теоретические основы размола волокнистых материалов в ножевых мельницах: автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.21.03 / В. Н. Гончаров. – Л., 1990. – 31 с.
9. Технология целлюлозно-бумажного производства: в 3 т. / редкол.: П. Осипов [и др.]. – СПб.: Политехника, 2002–2006. – Т. 2: Производство бумаги и картона. Ч. 1: Технология производства и обработки бумаги и картона / В. Ко- маров [и др.]. – 2005. – 423 с.
10. Фляте, Д. М. Свойства бумаги / Д. М. Фляте. – 3-е изд. – М.: Лесная промышленность, 1986. – 680 с.
11. Danielewicz, D. Effect of birch and pine fibre content and degree of beating on the properties of bleached sulphate pulps / D. Danielewicz, B. Surma-Ślusarska // Fibres and Text. East. Eur. – 2004. – Vol. 12, № 4. – P. 73–77.
12. Paulapuro, H. Papermaking: 3 parts / H. Paulapuro. – Norcross: TAPPI, 2000. – Part 1: Stock Preparation and Wet End. – 457 p.
13. Соловьева, Т. В. Влияние скорости вращения ротора дисковой мельницы на затраты энергии при размоле / Т. В. Соловьева, В. И. Темрук, А. Н. Кашин // Труды БГТУ. Сер. IV, Химия, технология орган. в-в и биотехнология. – 2009. – Вып. XVII. – С. 35–39.
14. Фомин А.А. Тракторы Versatile с классической рамой: применимость. Международный сельскохозяйственный журнал. 2018. № 2. С. 81-83.
15. Фомин А.А. Обеспечение эффективного и рационального использования земель сельскохозяйственного назначения. Московский экономический журнал. 2018. № 1. С. 3.
16. Фомин А.А. Об оценке потребности растениеводческих хозяйств страны в растениепитателях-аппликаторах на основании роста востребованности жидких минеральных удобрений типа КАС в разрезе почвенно-климатических условий России. Международный сельскохозяйственный журнал. 2017. № 3. С. 60-63.
17. Фомин А.А. Обоснование геометрии рабочих органов тяжелых и сверхтяжелых дисковых борон RSM DV-1000/600 и DX-850. Международный сельскохозяйственный журнал. 2017. № 1. С. 61-64.
18. Фомин А.А., Рубанов И.Н. Рынок биопродуктов. Международный сельскохозяйственный журнал. 2016. № 5. С. 55-60.

Literature:

1. Weisman, L. M., the structure of the paper and methods for its control. — Moscow: Forest industry, 1973. — 152 p.
2. Ivanov, S. N. Paper technology / SN Ivanov. — 3rd ed. — Moscow: school of paper, 2006. — 696 p.
3. Ermakov S. G., Khakimov R. H. Technology of paper. — Perm: Perm state technical University. University, 2002.
4. Kusmaul K. V. Containers with increased consumer properties. – M.: TSNIITEI, 1966. — 18 p.
5. Mishurina O. A., Mullin R. E., Urakova K. V., Kornienko N. D., Fedorov Yu. s. analysis of the influence of the sorption properties of base paper on the process of adhesion, the production of various kinds of paper packing // international journal of applied and fundamental research. — 2015. — №6-2. — P. 200-202.
6. The study of the influence of the composite composition of the fiber on the moisture-bearing properties of the feedstock in the production of cardboard sleeves / / Actual problems of modern science, technology and education. — 2013. — Vol. 1. No. 71. — P. 286-289.
7. Mullina E. R., L. L. Chuprova, O. Mishurina, V. Ershova, O. V. Studies of the possibility of improving the performance of packaging materials by chemical modification of paper-basis of the sorption indicators. Modern problems of science and education. — 2015. — № 1. — P. 300. – URL: www.science-education.ru/121-18874 (reference date: 24.09.2015)
8. Goncharov, V. N. Theoretical bases of grinding of fibrous materials in knife mills: autoref. dis. … d-RA tekhn. Sciences: 05.21.03 / V. N. Potters. — L., 1990. — 31 p.
9. Technology of pulp and paper production: 3 tons / rare.: P. Osipov [et al.]. – SPb.: Polytechnics, 2002-2006. — Vol. 2: production of paper and cardboard. Part 1: Technology of production and processing of paper and cardboard / V. Ko-Marov [et al.]. — 2005. — 423 p.
10. Plate, D. M. properties of paper / D. M. Plate. — 3rd ed. — Moscow: Forest industry, 1986. — 680 p.
11. Danielewicz, D. Effect of birch and pine fibre content and degree of beating on the properties of bleached sulphate pulps / D. Danielewicz, B. Surma-Ślusarska // Fibres and Text. East. Eur. — 2004. — Vol. 12, № 4. – P. 73-77.
12. Paulapuro, H. Papermaking: 3 parts / H. Paulapuro. — Norcross: TAPPI, 2000. — Part 1: Stock Preparation and Wet End. — 457 p.
13. The influence of the rotor of the disk mill on the energy costs during grinding / T. V. Solov’eva, V. I. Temruk, A. N. The influence of the speed of rotation. Kashin / / Proceedings of BSTU. Ser. IV, Chemistry, technology of the body. in-and biotechnology. — 2009. – Vol. XVII. — P. 35-39.
14. Fomin A.A. Versatile Tractors with classic frame: applicability. International agricultural journal. 2018. No. 2. P.81-83.
15. Fomin A.A. Ensuring the efficient and rational use of agricultural land. Moscow economic journal. 2018. No. 1. P.3.
16. Fomin A.A. On the assessment of the needs of crop farms in the country in the use of applicators on the basis of the growth of the demand for liquid mineral fertilizers in the context of soil and climatic conditions of Russia. International agricultural journal. 2017. No. 3. P. 60-63.
17. Fomin A.A. The Study of the geometry of the working bodies of heavy and superheavy disk harrows RS DV-1000/600 and DX850. International agricultural journal. 2017. No. 1. P. 61-64.
18. Fomin A. A., Rubanov I. N. The organic food market. International agricultural journal. 2016. No. 5. P. 55-60.