14.02.12

Бумага. Сырье для бумаги. Волокнистые полуфабрикаты

Предмет дисциплины: состав – структура – свойства – способ получения – способы обработки и отделки – ассортимент – область применения.

Цель: оценка и прогнозирование поведения материала в заданных условиях.

Состав – входящие в материал химические элементы.

Структура (расположение, строение, порядок) – совокупность:

• составляющих элементов (состав)

• устойчивых связей между ними:

  • химических (ковалентных, ионных, металлических)

  • физических

Фуллерены – Нобелевская премия 1996 г. – Кёрл Р., Смолли Р., Крато Х.

Карбин – кристаллическая модификация углерода (С) гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул.

Графен – двумерный материал – сверхтонкая углеродная пленка (наноэлектроника).

Свойство материала – отклик материала на внешнее воздействие.

Материалы состоят из полимеров и олигомеров.

Полимер – это вещество, состоящее из множества молекул большой молекулярной массы одинаковой химической природы. Каждая молекула построена из многократно повторяющихся атомов или групп атомов, соединенных между собой химическими связями.

Например, молекула поливинилхлорида (ПВХ) имеет следующее строение:

– CH2	– CH	– CH2	– CH	– CH2	– CH	– CH2
	Cl		Cl		Cl

По своему происхождению полимеры делятся на:

- Природные образуются независимо от деятельности человека (алмаз, гранит, целлюлоза, крахмал, лигнин).

- Искусственные получают на основе природных путем их модификации (нитроцеллюлоза, ацетаты целлюлозы, гидрат целлюлозы).

- Синтетические получают методом синтеза из простейших низкомолекулярных соединений, которые называются мономерами и имеют ненасыщенную связь.

Большая часть полимеров, которые используются для нужд – синтетические.

Классификация:

Полиграфические: 1. Конструкционные: Металлические=>Композиционные, Неметаллические. 2. Расходные: Основные, Вспомогательные.

Классификация основных материалов.

Основные материалы:

1. Запечатываемые материалы: бумага, картон, пластмасса, пленки, металлы, стекло, асфальт, ткань, кожа.

2. Материалы, создающие изображения: печатные краски, фольга, красящие порошки, чернила.

3. Отделочные материалы: клей, лаки, марля, нитки, проволока, кнопки, покровные материалы.

Свойства основных материалов

Основные материалы должны обладать потребительскими и технологическими свойствами.

Потребительские – комплекс свойств определяющих качество рекламной продукции. Это: 1. Оптические свойства материала, обеспечивающие внешний вид и фактуру. 2. Эксплуатационные свойства такие как прочностные и деформационные, отвечающие за износостойкость и долговечность продукции.

Технологические свойства – комплекс физико-химических свойств, зависящих от состава и строения, тоже определяющие качество материала.

Это: оптимальный режим использования оборудования, способность к обработке, состав и структура материала (размер частиц, твердость), способность к деформации.

Бумага

Бумага – тонкий листовой или рулонный пористо-капиллярный материал, состоящий в основном из растительных волокон, переплетенных и скрепленных между собой поверхностными силами сцепления.

Китай – родина бумаги.

Достоинства бумаги: тонкая, гибкая, эластичная, легкая, пористо-капиллярная структура, ровная, гладкая поверхность, химически инертная, хорошо закрепляет краску на поверхности, легко отбеливается, компактна, технологична, легко утилизируется, возможна повторная переработка, санитарно гигиенична, биологически разрушаема, доступная и возобновляемая сырьевая база, высокие потребительские свойства.

Недостатки бумаги: пожароопасна, гигроскопична, неоднородная структура, анизотропна, загнивает, двусторонность свойств, мнётся, пылит, рвётся, различия свойств в партиях бумаги.

Сырье для производства бумаги:

1. Древесина хвойных пород (мягкая)

2. Древесина лиственных пород (твердая)

3. Стебли однолетних растений (лен, кукуруза, конопля, эспарто, кенаф, рожь, рис, овес)

4. Коробочки хлопка и отходы хлопкового производства

5. Вторичное сырье – макулатурная масса

6. Искусственные и синтетические волокна

7. Альтернативное сырье

Основные соединения, входящие в состав древесины

Древесина:

1. Органические вещества 99%

-Высокомолекулярные соединения – Низкомолекулярные соединения 3% (смолы, терпены, танниды)

• Углеводная часть: полисахариды 70-80% Ароматическая часть лигнин 20-30%

• Целлюлоза 40-55% - Гемицеллюлоза 20-30% (гексозаны, пентоназы)

2. Минеральные вещества СаСО3

Состав бумаги:

1. Растительные волокна

2. Искусственные волокна

3. Наполнители (минеральные вещества)

4. Проклеивающие вещества

5. Красящие вещества

6. Специальные добавки

В зависимости от соотношения этих компонентов создается множество видов бумаг.

Растительные волокна

Растительные волокна – это клетчатка растений (природные полимеры, из которых строится оболочка клеток)

В клетчатке растений присутствуют: Целлюлоза, гемицеллюлоза, природные смолы, жиры и красители, лигнин, небольшое количество неорганических веществ.

21.02.12

Лекция 2

Растительные волокна

Состав и строение молекулы целлюлозы

Чередование колец, повернутых относительно друг друга в противоположные стороны. Каждое звено соединяется 1,4 гликозидными связями с двумя соседними звеньями без разветвления молекулярной цепи. Это придает молекуле линейность, гибкость, эластичность.

Гидроксильные группы придают гидрофильность и гигроскопичность. Благодаря этим группам целлюлоза поглощает влагу и удерживает ее.

Целлюлоза – линейный стереорегулярный, полярный гетероцепной полимер, содержащий один тип составного повторяющего звена.

Целлюлоза – прочное волокнистое вещество, опорная ткань всех растительных клеток, эластичный полимер, состоящий из остатков молекул β-глюкозы.

Макромолекулы уложены в пучки (фибриллы) образуют плотную структуру, степень кристалличности доходит до 70%. Между молекулами возникает межмолекулярное взаимодействие, обеспечивающее прочность.

Целлюлоза – светлый, неплавкий материал, нерастворимый в обычных растворителях.

Простейшие представители целлюлозы - вата, фильтровальная бумага.

Строение целлюлозного волокна

Микрофибрилла (5-25нм)

Водородные связи

Микрофобрилла (до 400 нм)

Длина волокон у лиственных пород – 0,7-2,5 нм, у хвойных – 3,0-5,0 нм, ширина волокон около 0,025 нм.

Требования к волокнам:

• Линейность, гибкость и эластичность

• Способность к фибриллированию

• Установление межмолекулярных связей

Свойства бумаги зависят от природы растительных волокон, характера их обработки, содержания наполнителя, проклеивающих веществ, а также технологии отлива и отделки, благодаря чему бумага получается с разными свойствами.

Бумагообразующие свойства зависят от сопутствующих веществ (инкрустирующих).

Лигнин – нерегулярный аморфный полярный полимер желто-коричневого цвета.

Лигнин оказывает сильное влияние на свойства бумаги – придает ей жесткость, хрупкость, мешает переплетению волокон из-за сетчатого строения полимерных молекул, делает бумагу рыхлой, менее прочной.

Лигнин легко окисляется, т.к. содержит много реакционных групп и бумага, в волокнах которой он находится, быстро желтеет под действием света и тепла.

Процесс получения волокон целлюлозы сводится к освобождению ее от лигнина и др. сопутствующих веществ.

Для бумаги длительного срока пользования лигнин нужно удалять.

Способы получения волокон: механический, химический.

Механический – измельчение, расщепление сырья без удаления инкрустирующих веществ.

Химический – удаление из сырья сопутствующих включений (варка сырья в растворах химических реагентов при повышенной температуре и давлении).

Кора не используется в производстве бумаги.

Дефибреры – измельчение древесины за счет абразивной поверхности (химический состав при этом не меняется)

Рафинеры – размол древесины в дисковых мельницах (измельчение до отдельных волокон). При этом волокна получаются резаные, рваные, поврежденные.

Размол древесной щепы

Принцип размола – щепа проходит через систему ножей, один из которых неподвижен, а второй установлен на вращающемся барабане. Зазор между ножами регулируется. Проходя между ножами волокна режутся, укорачиваются или расщепляются в продольном направлении. Площадь поверхности волокна увеличивается.

Тощий помол – укороченные волокна немного фибриллированные (между ножами малый зазор).

Жирный помол – расщепленные раздавленные волокна без укорачивания (большой зазор между ножами).

Влияние помола на свойства бумаги

тощий	тонкий
Малая прочность	Высокая прочность
Низкая гладкость	Высокая гладкость
Малая плотность	Повышенная плотность

Волокна древесины

Древесина

• Древесная масса:

Белая, бурая, термомеханическая, химико-термомеханическая

• Древесная целлюлоза:

Сульфитная, сульфатная

Примеры указаны по степени улучшения бумагообразующих свойств.

Волокна древесной массы получают механическим способом. Волокна жесткие, плохо переплетающиеся, лигнин не удаляется. В древесной массе очень много крупных (костра) и мелких частиц (пыли), которые не способны образовывать межмолекулярные связи.

Древесная масса применяется в производстве бумаг: газетной, книжно-журнальной, форзацная, обложечная, оформительская, мелованной для рекламных целей, картона, бумаг хозяйственного назначения.

Свойства бумаги из волокон древесной массы

Достоинства:

Высокая светонепроницаемость;

Более однородная и равномерная структура листа;

Почти полное использование древесины (98%);

Небольшое количество химических реагентов;

Отсутствие газовых выбросов в атмосферу;

Дешевые;

Невысокие затраты на производство.

Недостатки:

Сравнительно низкая прочность бумаги;

Невысокая гладкость поверхности;

Высокая впитывающая способность, т.к. рыхлая пористая структура;

Нестабильная белизна (быстро желтеет);

Малый срок использования.

Волокна древесной целлюлозы получают химическим способом.

Древесина перерабатывается в щепу, сортируется по размеру и только потом подвергается химическому воздействию реагентов.

Варка – полное выделение волокон целлюлозы из древесной ткани в неповрежденном виде при повышенной температуре и давлении. Выделение основано на взаимодействии реакционно активных групп лигнина с кислотами или щелочами.

Сульфитная целлюлоза (pH < 6)

Недостатки:

Деструкция стенок волокон из-за гидролиза целлюлозы;

Перерабатывается древесина с низким содержанием смоляных кислот (лиственные породы);

Высокое содержание смолистых веществ в готовом полуфабрикате до 1,5%, образуются липкие отложения;

Остаточное содержание лигнина до 4% (6%);

Невозможна утилизация сульфитных растворов;

Происходит загрязнение сточных вод;

Кислая среда в дальнейшем ускоряет процесс старения;

В офсетном способе печати кислые бумаги имеют проблемы с высыханием красочных слоев.

Достоинства:

Волокна легко отбеливаются;

Достигается достаточная белизна;

Высокие прочностные свойства;

Более дешевый полуфабрикат (по сравнению с сульфатной).

Выход полезного продукта составляет 45-55%.

Сульфатная целлюлоза (pH > 7)

Достоинства:

Лигнин полностью удален

Перерабатываются любые породы деревьев и недревесное сырье

Высокая механическая прочность волокон

Содержание смолистых веществ не превышает 0,2%

pH бумаги нейтральная или щелочная

возможность регенерации сточных вод

Недостатки:

Сложная, многостадийная, дорогостоящая отбелка

Энергоемкое производство

Выход полуфабриката составляет 40-45%.

Волокна макулатурной массы

Макулатура – все виды бумажно-картонных изделий, утративших первоначальную ценность, и отходы их производства, пригодные для повторного получения волокнистой массы.

Макулатура – крупный резерв вторичных волокон

Макулатурная масса используется в производстве газетной бумаги (до 14 %)

Получение макулатурной массы

1. роспуск макулатуры на волокна

2. Механическая и химическая очистка распущенных волокон

3. Размол без укорачивания волокон

4. сортировка и повторная очистка волокон

5. Окончательный размол

6. Облагораживание

Использование макулатурной массы

Волокна макулатурной массы применяется при производстве:

Газет, суперкаландрированных видов бумаги с пониженной массой, переплетного картона, упаковочного картона.

Лекция 3

Производство бумаги. Подготовка бумажной массы к отливу

Производство бумаги

Общая технологическая схема производства бумаги:

Подготовка бумажной массы – Отлив бумаги – Отделка бумаги

Подготовка бумажной массы:

• Отбеливание волокон

• Окончательный размол

• Составление композиций по волокну

• Введение наполнителей

• Введение проклеивающих веществ

• Введение подцветки

• Разбавление бумажной массы

Цель отбеливания волокон

• Эстетически приятнее белые бумаги

• Контрастность печати

• При окрашивании волокон для получения цветного материала не происходит тоновых изменений цвета красящих веществ

• Химическая стабильность и устойчивость волокон

• Санитарно-гигиенические нормы (обеззараживание)

На какие свойства бумаги влияет отбеливание?

• На белизну (увеличивает и стабилизирует)

• На светостойкость (увеличивает)

• На прочность (уменьшает)

Отбелка проводится в один или несколько этапов.

Многостадийная отбелка более эффективна.

Для отбелки используют сильные окислители (хлор, его производные, перекись водорода, озон).

При отбелке волокон древесной массы природные красители и лигнин обесцвечивают, но не удаляют

Со временем процессы окисления под действием света и тепла берут верх, и волокна древесной массы желтеют и стареют.