В процессе производства бумаги, технологу приходится решать разнообразные вопросы, руководствуясь тем, какими свойствами должна обладать бумага. При этом необходимо учитывать ряд переменных факторов: изменения в свойствах имеющегося в его распоряжении сырья и материалов, а также принимать во внимание состояние и настройку оборудования.
Бумага, как материал широкого применения в быту, в технике, строительстве, медицине и других областях, при постоянно расширяющихся сферах применения, требует, естественно, разноообразия технологических решений в производстве.
При известных, хорошо изученных и подтверждённых долгой практикой технологических решениях, существуют многочисленные тонкости, связанные с условиями конкретного производства, в конкретном месте, в конкретное время. Самая простая причина такого разнообразия-тесная связь технологии с природными материалами, составляющими основу поизводства-это вода и древесина или древесная целлюлоза. Многие параметры которых зависят от географического места их происхождения.
Cледует согласиться с мнением профессора Университета технологии г. Лаппенранта Финляндии Matti Stena[1] об особенности технологии бумаги:
«Я думаю, что нам следует быть более осторожными, выражая слишком уверенно своё мнение о явлениях, происходящих в процессах производства бумаги, химии и физике бумаги. Я считаю, что в большинстве случаев у нас всё ещё есть только гипотеза, которая может быть очень полезна в нашей повседневной работе, но в, тоже время, она может быть очень неточной (неопределённой) и делать тайну технологии ещё более загадочной».
Это утверждение не отменяет строгости и логики существующей технологии, но говорит о том, что сложившаяся логика должна дополняться, может быть корректироваться, на основании анализа конкретных условий заказа и текущих особенностей производства. Технология бумаги постоянно развивается. Особенности конкрктного заказа на бумагу могут определяться, например, свойствами имеющихся в наличии сырьевых материалов (волокнистых, пигментов, проклеивающих, окрашивающих и пр.), параметрами воды, текущим состоянием оборудования и т.д. Разнообразие видов бумаги ведёт к разнообразию технологических особенностей производства конкретных видов бумаги. Понятно ведь, что фильтровальная бумага для воздушных фильтров существенно отличается от офисной бумаги для струйных принтеров, или упаковочная бумага для упаковки жирных продуктов имеет совсем другие свойства, чем бумага для производства облицовки мебели. Тем не менее, мы попробуем рассмотреть технологию производства бумаги и картона, отметив общие, наиболее значимые особенности и закономерности.
От древесных волокон к бумаге
Бумага (здесь и далее мы в понятие “бумага” будем включать и “картон”) производится из дискретных (отдельных) частиц — волокон целлюлозы или древесной массы, выделенной из древесины сочетанием механических и химических усилий. На схеме дальше показано, как изменяются свойства древесных волокон при выделении их из древесины в ходе её варки для получени целлюлозы, какими свойствами характеризуется сетка целлюлозных волокон, не содержашая материалов, придающих бумаге функциональные свойства и, наконец приведены, в общем виде, свойства бумажного полотна, после введения в него необходимых добавок при изготовлени бумаги на буммашине. Свойства древесного волокна при подготовке его к производству бумаги существенно изменяются и по форме, и по структуре, и по составу.
Волокна, образующие армирующую сетку бумаги в большинстве случаев получают в процессе переработки древесины, но до получения бумаги древесные волокна должны пройти процесс варки для удаления из них большей части лигнина и выделения целлюлозы. Лигнин-компонент стенки волокна. Он как и целлюлоза, относится к природным полимерам, но его формула и структура сложнее, чем у целлюлозы. Древесина хвойных пород отличается от лиственных большим содержанием лигнина и меньшим содержанием гемицеллюлоз. Лигнин, как и другие компоненты древесины находит всё более широкое применение.
В общем виде бумага определяется как капиллярно-пористый коллоидный вязкоупругий материал, структуру которого в основном составляет стохастическая волокнистая сетка [2].
При этом, бумага обладает свойствами как полимеров, так и композитов, т.е. материалов. которые состоят из двух и более разнородных материалов и обладающая свойствами, которых не имели исходные материалы.
Состав древесины нескольких пород приведён в таблице [3].
| Порода древесины | Содержание компонентов в % | ||
| Целлюлоза | Лигнин | Гемицеллюлозы | |
| Ель чёрная | 44 | 28 | 28 |
| Ель канадская белая | 44 | 27 | 29 |
| Пихта канадская | 44 | 29 | 28 |
| Сосна Банкса | 41 | 29 | 30 |
| Осина | 53 | 16 | 31 |
| Берёза жёлтая | 40 | 21 | 39 |
Древесные волокна имеют разные размеры в зависимости от вида дерева, места произростания и возраста. Примерные размеры волокон древесины приведены в таблице [4].
| Порода древесины и возраст в годах | Длина, мм | Ширина, мм |
| Сосна Pinus silvestris (100) | 3–5 | 0,05 |
| То же (10) | 1,8–2,5 | 0,03–0.04 |
| Ель Picea excelsa (100) | 2,8–5,1 | 0,05 |
| То же (10) | 1,9–2,5 | 0,03–0,04 |
| Берёза Betula pubescens Осина Populus tremulaB. Verrucosa (60–80) | 1,0–1,8 | 0,02 |
Основные этапы процесса производства бумаги
Основа производства бумаги с того момента, когда она только создавалась, до наших дней, принципиально не изменилась и заключается в том, чтобы из древесины извдечь волокна, пропитать их водой. Затем “откинуть” , как говорят хозяйки при варке макаронов, на сетку, бумажную массу, удаляя воду из разбавленной до примерно 1% суспензии. Снять с сетки влажное полотно и продолжать удалять из него воду: сначала механическим отжимом — прессованием, а оставшуюся воду при сушке на горячей поверхности сушильных цилиндров.
Другими словами, изготовление бумаги в самом общем виде — это процесс измельчения и гомогенизации компонентов в разбавленной водной среде и, затем, на бумагоделательной машине (БДМ), процесс интенсивного удаления воды при одновременном формировании бесконечно длинного бумажного полотна.
Концентрация водной суспензии (бумажной массы), подаваемой на сетку БДМ, обычно (0,2–1)%, т.е. 2–10 г на 1 кг воды. Под действием силы тяжести, пульсаций и вакуума сухость бумажного полотна достигает 15–25% в зависимости от особенностей исходной бумажной массы (её способности к водоудержанию) и требований к свойствам бумаги (по плотности, например). Далее ещё непрочное полотно поступает в прессовую часть, где вода механически отжимается до сухости бумажного полотна 33–55 %. После прессовой части полотно поступает в сушильную часть, в которой в результате термической обработки испарением удаляется вода до содержания её в бумаге 5–9%. При сухости полотна после прессовой части 50% (1 г сухого вещества на 1 г воды) в сушильной части удаляется менее 1% воды поступившей в сеточной части на БДМ.
Две стороны технологии
Технология производства может быть рассмотрена в общем виде как состоящая из двух частей.
Процессы, обеспеченные механикой, т. е. работой оборудования. Оборудования для дозирования, измельчения, перемешивания, прессования, сушки, поверхностной обработки и другого. Учитывая непрерывность технологического процесса, который прерывается только по плановым или, что бывает реже, внеплановым, например аварийным обстоятельствам, понятно значение обеспечения стабильности работы оборудования.
Физико-химические процессы. Это процессы фибриллирования (распушения) волокон, гелеобразования на поверхности волокон в водной среде, процессы взаимодействия с бумажной массой компонентов, обеспечивающих наполнение, проклейку, красителей и вспомогательных веществ. Многочисленные деформационные процессы бумажного полотна при формировании его в бумагоделательной машине.
В процессе производства бумаги используется ряд технологий и теоретические знания. Помимо технической составляющей и материаловедения, важное место принадлежит физической химии (т.е. поверхности и коллоиду), органической, неорганической и аналитической химии и даже микробиологии.
Добавки в бумажную массу, основу которой могут составлять первичные волокна (целлюлозы, древесной массы) или вторичные волокна (регенерированные из макулатуры) могут быть разделены на следующие три группы:
- минеральные наполнители и пигменты (каолин, мел, тальк, синтетические силикаты и окись титана);
- функциональные химикаты (например, химикаты для придания влагопрочности и прочности в сухом состоянии, непрозрачности, клеи и красители);
- технологические химикаты (например, фиксаторы, удерживающие вспомогательные вещества, противопенные добавки и биоциды).
Технология бумаги — пример безотходной технологии замкнутого цикла
В последние десятилетия стало понятно, что технология бумаги, будучи включена в предприятия комплексной переработки древесины (деревообработки, производства целлюлозы и древесной массы, предприятия лесохимии), позволяет решать комплекс фундаментальных задач устойчивого, безотходного производства:
- в ней и в многочисленных продуктах на её основе консервируется (депонируется) СО2, поглощённый деревом в процессе роста;
- в производственном, технологическом цикле изготовления бумаги может осуществляться самообеспечение энергией, когда используется тепло, образующееся в процессе производства, используется замкнутый цикл использования воды;
- важно, что отслуживший по назначению продукт в виде бумаги, или изделия из неё возвращается в технологический процесс после стадии регенерации, вновь и вновь многократно сиспользуется в новых жизненных циклах.
Отметим, что на протяжении более чем двухтысячилетней истории, использование бумаги в качестве материала для одежды, упаковки, рисования и письма, печати, элементов интерьера жилища, всегда представляло собой некоторый технологический и эволюционный скачёк в развитии человечества.
О важности отраслей глубовой переработки древесины в создании экологически благоприятной экономики наши посты: Основные направления био-рефайнинга древесины; Прорыв в технологии производства бумаги-зелёная водородная энергетика; Глубокая переработка древесины; Бумага и климат. Влияние производства на природу; Лесопромышленный сектор снижает углеродный след промышленности Европы.
Об особенностях технологии бумаги и направлениях её развития мы писали в постах: Технология и искусство в производстве бумаги; Бумажное производство и отношение к нему; Направления развития целлюлозно-бумажного производства; Стратегические цели развития переработки древесины;
Использованные источники:
1. К. Нисканен. Физические свойства бумаги. т.16. Papermaking Science and Technology a book series covering the latest technology and future trends. Наука и технология производства бумаги серия книг, посвященных новейшим технологиям и будущим тенденциям.Издательство Finnish Paper Engineers Association/Paperi ja Puu Oy.PO BOX 155,FI-00171 HELSINKI,FINLAND.
2. В.И. Комаров «Деформация и разрушение волокнистых целлюлозно-бумажных материалов», Киров, 2002.
3. C. C. Пузырёв “Современная технология механической массы”, т.2, Санкт-Петербургская лесотехническая академия, С.-Петербург, 1996.
4. А.В. Оболенская и другие, Практические работы по химии древесины и целлюлозы, Лесная промышленность, Москва, 1965.