Реферат: Исследование влияния функциональных химических веществ на обезвоживание волокнистой массы

Введение

ЦБП принадлежит к немногим отраслям мировой промышленности, отличающимся устойчивым развитием. Среднегодовой прирост ее продукции не подвержен конъюнктурным воздействиям и определяется жесткой связью этого прироста с численностью населения, уровнем его культуры и образования, объемами торговли, темпами и масштабом научно-технического прогресса. Достижения в области электронных средств массовой информации не уменьшили, а пожалуй, скорее увеличили потребность в бумаге, картоне и изделий из них.

В настоящее время мировая бумажная промышленность выпускает свыше 600 видов бумаги и картона, обладающих разнообразными, а в ряде случаев совершенно противоположными свойствами: высокопрозрачные и почти совсем непрозрачные (неактиничные); электропроводящие и электроизоляционные; толщиной 4-5 мкм, (т.е. в 10 раз тоньше человеческого волоса) и толстые виды картона; хорошо впитывающие влагу и водонепроницаемые; прочные и слабые; гладкие и шероховатые и др. Причем ассортимент продукции ЦБП постоянно видоизменяется. Так, например, за последние 8 лет произошло сокращение доли газетной бумаги (при одновременном росте объема ее абсолютного производства) и заметное увеличение доли высококачественной писче-печатной бумаги, включая бумагу для множительной техники. Возросла доля картона, упаковочной бумаги и изделий из них, увеличивается доля тиссю и санитарно-гигиенических изделий.

Одновременно с изменением ассортимента произошло и изменение экономической формации. Переход к рыночной экономике, где все определяет соотношение спроса и предложения, заставляет по-новому взглянуть на процесс производства.

В условиях рынка и конкурентной борьбы выигрывает тот, кто производит высококачественный товар, и предлагает его по выгодной цене. Именно поэтому большая часть продаваемой в России бумаги является импортной. Кризис, в котором находится отечественная ЦБП, как и вся экономика, постепенно начинает отступать. И теперь основная цель российских производителей бумаги, выпускать конкурентоспособную, качественную продукцию, имеющую спрос, и при минимальных затратах.

Одним из путей достижения поставленной задачи, является применение в композиции бумаги функциональных химических веществ.

Функциональные химические вещества имеют разное целевое назначение и в общем могут быть разделены на следующие группы.

• регулирующие рН среды;

• проклеивающие вещества;

• придающие бумаге прочность и влагопрочность;

• придающие бумаге водонепроницаемость;

• дефлокуляторы растительных волокон;

• повышающие удержание мелкого волокна и наполнителя;

• пеногасители;

• оптические отбеливатели;

• фунгициды, препятствующие образованию слизи и предупреждающие развитие микроорганизмов в коммуникациях;

• вещества, придающие бумаге огнестойкость;

• вещества, сообщающие бумаге или картону непроницаемость для прохождения газов, жира, жидкости, ультрафиолетовых лучей и придающие специальные свойства и др.

Введение химикатов в бумажную массу открывает следующие возможности:

1. увеличение сопротивлений бумаги продавливанию, разрыву и надрыву;

2. введение в композицию бумаги повышенного количества коротковолокнистой целлюлозы и наполнителей без снижения показателей механической прочности;

3. сокращение расхода электроэнергии и времени размола;

4. ускорение обезвоживания на сетке, что обеспечивает повышение скорости бумагоделательных машин, а вместе с тем и увеличение их производительности;

5. улучшение условий формования бумажного полотна;

6. повышение прочности бумаги во влажном состоянии.

Экономический эффект от применения в композиции бумаги различных функциональных химических соединений огромен и выражается не только в улучшении качества бумажной продукции, но и сокращении производственных расходов. Поэтому наблюдается устойчивая тенденция к расширению их применения. Доля стоимости функциональных химических веществ в конечном продукте, в некоторых зарубежных странах, достигает 50 % и более.

Ассортимент химикатов постоянно обновляется за счет появления более эффективных веществ. И хотя их целевое назначение известно, все же при добавлении химических веществ в бумажную массу, следует соблюдать определенный технологический режим. Иначе положительное воздействие может быть не достаточно высоким, или появятся побочные, отрицательные явления.

Применение в России новых функциональных химических веществ осуществляется за счет «искусства бумажного мастера», т.е. основывается на практическом опыте. При этом, возможно, получаются неплохие результаты. Но все-таки в конце ХХ века, как мне кажется, выигрывает та технология, которая имеет прочную научную основу. Для этого и проводилась данная исследовательская работа, которая рассмотрела влияние функциональных химических веществ на обезвоживание волокнистой массы.

4. Исследовательская часть.

Целью настоящей работы было исследование влияния различных функциональных химических веществ на обезвоживание волокнистой массы. В ходе работы ставились следующие задачи:

1. Исследовать изменяется ли обезвоживание волокнистой массы при введении различных количеств функциональных химических веществ.

2. Рассмотреть влияние различных добавок функциональных химических веществ во времени.

3. Исследовать воздействие химических добавок при изменении рН суспензии.

4.1. Исследование влияния различных количеств флокулянта П 852 на обезвоживание волокнистой массы.

В качестве волокнистого материала используем сульфатную лиственную целлюлозу. Для приготовления волокнистой суспензии целлюлозу необходимо распустить. При этом все расчеты ведут на массу абсолютно сухого волокна. Поэтому сначала определяем влажность используемой целлюлозы.

Определяя влажность, готовим две параллельные пробы. Взвешиваем на аналитических весах по 1 г целлюлозы и помещаем навески в предварительно взвешенные бюксы:

m(1 бюкса)=49,6 г; m(2 бюкса)=45,7001 г

Устанавливаем бюксы в сушильный шкаф и высушиваем целлюлозу при Т=105С в течении 2 часов. Далее вынимаем бюксы из сушильного шкафа, охлаждаем в эксикаторе и взвешиваем.

m _I=50,5004 г  m _I(навески)=0,9004 г

m _II=46,6008 г m _II(навески)=0,9007 г

Снова помещаем бюксы в сушильный шкаф, и последующие взвешивания производим через каждые 0,5 часа до постоянной массы.

Через полчаса: m _I=50,5003 г  m _I(навески)=0,9003 г

m _II=46,6007 г m _II(навески)=0,9006 г

Последующие три взвешивания с интервалом в полчаса показали, что масса остается постоянной, т.е. в 1-ом бюксе m _I=0,9002 г, а во 2-ом m _II=0,9005 г

Конечную массу навески определяем как среднее арифметическое 2-х параллельных проб: (0,9005+0,9002)/2=0,90035 г

Следовательно, влажность целлюлозы равна:

W=(1-0,90035)/1*100 %=9,965 %

Для приготовления волокнистой массы необходимо взять 2 г абсолютно сухой целлюлозы. При влагосодержании целлюлозы 9,965 % масса влажной целлюлозы равна:

2 г – 90,035 %

х г- 100 %  х=2*100/90,035=2,22 г

Объем всей суспензии должен составлять 1000 см ³. Следовательно, количество добавляемой воды определяем как: 1000-2,22=997,78 г

Заливаем целлюлозу водой и оставляем стоять 30 мин. После распускаем на дезинтеграторе в течение 35 мин до получения однородной суспензии.

Волокнистую суспензию переносим в мерный цилиндр. Так как, при роспуске теряется некоторое количество воды, то доливаем дополнительно воду до метки.

Сначала проводим холостую пробу без флокулянта, тщательно перемешиваем суспензию и заливаем в аппарат СР-2 при закрытом клапане. Затем быстро поднимаем клапан и наблюдаем водоотдачу. При холостой пробе основной объем воды выходит через боковое отверстие, и составляет 858 см ³, а через центральную трубу 86 см ³. В сумме эти 2 значения не дают 1000 см ³, значит часть воды осталась в массе. Водоудержание определяется как:

1000-(858+86)=56 см ³

После проведения холостой пробы, собираем целлюлозную массу с сетки, и помещаем в мерный цилиндр. Затем добавляем флокулянт из расчета 20 г сухого вещества на 1т бумаги, что в пересчете на 0,2 %-ный раствор флокулянта составляет 10 см ³. Доводим до 1000 мл собранной при холостой пробе водой. После перемешивания суспензии, заливаем ее в аппарат и поднимаем клапан. Наблюдается замедление процесса обезвоживания, о чем свидетельствует меньшее количество воды, уходящей через боковое отверстие и большее количество воды через центральное. Аналогично проводим 5 замеров, и конечный результат определяем как среднее арифметическое.

В последующих опытах постепенно увеличиваем количество флокулянта. Полученные результаты представлены в таблице 4.1.1.:

На основании данных таблицы построим графики. На графике 4.1.1. изображена зависимость между количеством, добавляемого флокулянта, и объемом воды, вытекшей через боковое отверстие.

На графике 4.1.2. показана зависимость между тем же количеством флокулянта и объемом воды, вытекшей через центральное отверстие.

Из графиков видно, что с увеличением содержания флокулянта в суспензии наблюдается замедление водоотдачи. Так как, флокулянт представляет собой полимер, имеющий катионный характер, он связывает мелкие волокна целлюлозы, образуя агрегаты-флокулы, которые удерживаются на слое волокон.

Сам слой становится более плотным, увеличивается его толщина, и вода фильтруется медленнее. Также замедление водоотдачи можно объяснить частичным растворением флокулянта в воде, в результате, возрастает ее вязкость.

При суммировании объемов воды, вытекшей через боковое и центральное отверстии, получаем результат меньше 1000 мл. Значит, часть воды осталась в целлюлозной массе. На графике 4.1.3. представлена зависимость водоудержания волокнистой массы в зависимости от добавок флокулянта.

Кривую можно разбить на несколько участков. На 1-ом участке от нулевой концентрации до расхода 30 г/т количество воды в волокне уменьшается. Затем начинается медленный подъем и кривая достигает максимума при концентрации 60 г на 1т бумаги- это второй участок. На 3-м участке наблюдается резкий спад водоудержания и минимальное его значение находится в точке соответствующей концентрации 100 г/т. Зависимость неоднозначная и нуждается в более подробном объяснении. Но уже сейчас можно сказать, что с увеличением концентрации флокулянта, водоудержание падает. Так как флокулянт, связывая волокна целлюлозы, вытесняет воду из волокнистой массы.

4.2. Исследование влияния различных добавок флокулянта П на обезвоживание волокнистой массы в течении времени.

При проведении данного исследования готовились три пробы целлюлозной суспензии согласно методике. Для каждой из проб проводился холостой опыт (без флокулянта). Затем добавлялся флокулянт, причем для 1-ой пробы из расчета 60 г/т, для 2-ой пробы 80 г/т и 3-ей пробы 100 г/т. Суспензии перемешивали и оставляли на 1 мин. По истечении времени на аппарате СР-2 определяли водоотделение. После измерения массу собирали в мерный цилиндр, заливали водой, перемешивали и оставляли на 5 мин, по истечении которых также определяли количество воды, вытекающей через оба отверстия. Затем суспензию с флокулянтом П выдерживали в течение 10 и 30 мин. После каждого контрольного времени проводили измерения на аппарате Шоппер-Риглера. Данные, полученные после серии опытов, представлены в таблице 4.2.1.:

На основании полученных данных построим графики 4.2.1. и 4.2.2.

Кривые на графиках можно условно разбить на 2 участка. На первом участке наблюдается плавное увеличение количества воды, вытекающей через боковое отверстие, и уменьшение количества воды, выходящей через центральную трубу. Это свидетельствует о некотором ускорении процесса обезвоживания во времени. На втором участке количество воды, вытекающей через отверстия, не изменяется, остается постоянным. Возможно, ускорение процесса обезвоживания во времени связано с тем, что часть флокулянта переходит в раствор и снижается его воздействие на целлюлозную массу.

4.3. Исследование обезвоживания волокнистой массы при добавлении флокулянта П и изменении величины рН.

Измерение рН осуществляется при помощи иономера Ч-135М1. Сначала измеряем рН суспензии целлюлозы без флокулянта. Для этого из мерного цилиндра в стакан наливаем 30 мл суспензии. Устанавливаем стакан на подставку иономера, опускаем в него эталонный электрод, а затем измерительный. По истечении 3-х мин снимаем показатели прибора. рН волокнистой суспензии равно 8,00.После измерение рН, выливаем содержимое цилиндра в аппарат СР-2, поднимаем клапан и определяем водоотделение.

Тот же порядок действий соблюдаем после добавления в суспензию 30 мл флокулянта (рН цел.+фл.)=8,37.

В результате исследований необходимо рассмотреть обезвоживание при рН: 4; 4,5; 5; 6; 7; 8; 9. Для этого в суспензию добавляем определенное количество кислоты или щелочи.

Сначала установим экспериментальную зависимость между количеством добавляемой кислоты или щелочи и изменением рН. В стаканчик наливаем 100 мл суспензии, содержащей флокулянт, и добавляем по 0,5 мл 0,1Н раствора HCl, соответственно измеряя рН.

Полученные данные в таблице 4.3.1.:

По этим данным строим графическую зависимость.

Для нахождения необходимого количества кислоты действуем следующим образом. Например, для получения рН=4 необходимо к 100 мл суспензии добавить 5,35 мл кислоты, что в пересчете на 1000 мл составляет 53,5 мл. Отбираем из мерного цилиндра 53,5 мл суспензии и доливаем кислотой. Для устранения потерь флокулянта рассчитаем, какое его количество следует восполнить:

1000 мл-30 мл

53,5 мл- х  х=30*53,5/1000=1,6 мл

После введения 0,1Н HCl, отбираем пробу V=30 мл и проверяем рН на иономере. Убедившись в правильности расчетов, заливаем суспензию в аппарат СР-2 и определяем водоотдачу. Аналогичным образом поступаем и в последующих измерениях.

Экспериментальные данные, полученные при различных рН представлены на графиках 4.3.1., 4.3.2., 4.3.3.

Из графиков видно, что при изменении рН, водоотдача не меняется. Значит, флокулянт устойчив в интервале рН от 4 до 9.

4.4. Исследование влияния добавок катионного крахмала на обезвоживание волокнистой массы.

Согласно методике готовим 2 %-ный крахмальный клейстер. Для этого на аналитических весах взвешиваем 20 г катионного крахмала. Переносим его в фарфоровый стакан и заливаем дистиллированной водой в количестве 1000 мл. Устанавливаем стакан в подогретую водяную баню и при постоянном перемешивании нагреваем клейстер до 90С. Варка осуществляется в течении 15-20 мин. Готовый клейстер охлаждаем и используем в работе.

Подготовленную суспензию целлюлозы переливаем в мерный цилиндр V=1000 мл, доводим при необходимости водой, тщательно перемешиваем. В аппарат СР-2, с опущенным клапаном, заливаем суспензию и измеряем водоотдачу. После проведения холостой пробы собираем массу в цилиндр, добавляем расчетное количество крахмала и доливаем водой до 1000 мл. Затем тщательно перемешиваем, заливаем в аппарат и поднимаем клапан. При введении катионного крахмала даже в количестве 0,3 кг/т, наблюдается резкое замедление процесса обезвоживания. Основное количество воды выходит через центральное отверстие. При дальнейшем увеличении добавки катионного крахмала, замедление водоотдачи усиливается. А при расходе 1,5 кг/т значительная часть воды остается в массе.

Полученные в результате эксперимента данные приведены в таблице 4.4.1.:

По данным таблицы построим графики. На графике 4.4.1. изображена зависимость между количеством вводимого крахмала и водоотдачей массы.

При этом с увеличением расхода катионного крахмала происходит плавное уменьшение количества воды, уходящей через боковое отверстие, и увеличение количества выходящей воды через центральное отверстие. На графике 4.4.2. представлена зависимость водоудержания от концентрации крахмала в суспензии.

До концентрации 1 кг/т наблюдается плавное увеличение водоудержания, а затем резкое возрастание. Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Наличие в макромолекуле катионного крахмала функциональных групп, несущих положительный заряд, способствует удержанию мелкого волокна. В результате, чего масса становится более «жирной». Молекулы воды, имеющие полярную природу, также взаимодействуют с катионным крахмалом. Поэтому происходит не только замедление обезвоживания, но и увеличения количества воды в массе. При повышении концентрации катионного крахмала эффект его действия усиливается, за счет образования на сетке пленки клейстера, препятствующей водоотдаче.

4.5. Исследование влияния добавок катионной смолы МП на обезвоживание волокнистой массы.

Катионная смола, используемая в работе, представляет собой раствор коричневого цвета 27 %-ной концентрации. Зная, расход катионной смолы в кг сухого вещества на 1т бумаги, делаем пересчет на необходимый объем данного раствора. Сначала проводим холостое измерение водоотдачи массы. Затем проводим серию экспериментов, добавляя различные количества смолы. Для каждой концентрации делаем 5 замеров и конечный результат определяем как среднее арифметическое. Экспериментальные данные приведены в таблице 4.5.1.:

Таблица 4.5.1.

По табличным данным построим три графика. На графиках 4.5.1. и 4.5.2. изображены зависимости между количеством добавляемой смолы и объемом воды, вытекающей через боковое и центральное отверстии.

До концентрации 1 кг/т происходит резкое уменьшение количества воды, уходящей через боковое отверстие. Затем экспериментальные точки образуют плавную кривую: сначала водоотдача немного увеличивается, а потом плавно уменьшается. На втором графике наблюдается почти прямо пропорциональная зависимость между концентрацией МП и водоотдачей через центральное отверстие.

На графике 4.5.3. представлена кривая, определяющая зависимость между количеством катионной смолы и количеством воды, удерживаемой волокнистой массой.

. На участке кривой до концентрации 1 кг/т резкий скачок водоудержания, затем происходит плавное снижение. На участке соответствующем концентрациям от 6 до 10 кг/т водоудержание практически не изменяется.

Анализируя полученные кривые можно предположить, что:

• катионная смола способна удерживать мелкое волокно, в результате, чего слой массы становится менее пористым, и водоотдача идет медленнее.

• при малых концентрациях катионной смолы происходит резкий скачок водоудержания, связанное, возможно, с частичной гидратацией макромолекулы смолы, которая, имея катионную активность, адсорбируется на волокнах целлюлозы.

• с увеличением концентрации МП в массе происходит постепенное снижение водоудержания за счет взаимодействия с волокнами целлюлозы и вытеснения тем самым воды из волокнистой массы. На определенном этапе наступает равновесие, о чем свидетельствует прямолинейный участок на графике водоудержания.

4.6. Исследование влияния добавок деаэратора на обезвоживание волокнистой массы.

Согласно методике готовим волокнистую суспензию концентрацией 2 г абсолютно сухой целлюлозы в 1000 мл. На аппарате СР-2 проводим холостой замер объема воды, вытекшей через центральное и боковое отверстия. Затем собираем целлюлозную массу в измерительный цилиндр и добавляем деаэратор. Перед введением деаэратор разбавляем до концентрации 5 % по сухому веществу. Для этого берем 18,5 мл 27 %-ного раствора и доводим дистиллированной водой до 100 мл. После введения деаэратора также измеряем водоотдачу на аппарате Шопер-Риглера. Для каждого количества проводим по 5 замеров, и конечный результат определяем как среднее арифметическое. Полученные данные представлены в таблице 4.6.1.:

По данным таблицы построим графические зависимости. На рисунке 4.6.1. изображены кривые, показывающие зависимости между количеством вводимого вещества и количеством воды, вытекающей через боковое и центральное отверстия.

На рисунке 4.6.3. зависимость между концентрацией деаэратора в суспензии и водоудержанием.

Из последнего рисунка видно, что первоначально при увеличении концентрации вещества в массе наблюдается уменьшение количества воды в целлюлозе. При концентрации она достигает минимума и затем начинается плавный подъем.

Возможно следующее объяснение. На первоначальном этапе молекулы ПАВ, адсорбируясь на границе раздела фаз «воздух-вода», «волокно-вода», снижает поверхностное натяжение, волокнистый слой становится более плотным и количество воды в нем уменьшается. При определенной концентрации деаэратора в массе наступает точка насыщения. Далее увеличение концентрации ПАВ приводит к взаимодействию молекул адсорбата между собой и образованию полимолекулярного слоя. Причем последний слой, по-видимому, адсорбирует молекулы воды и удерживает их в массе.

4.7.Исследование влияния микрофлокулянта ОП на обезвоживание волокнистой массы.

Согласно методике готовим 0,1 %-ный раствор микрофлокулянта. Сначала определяем плотность исходного 100 %-ного раствора. Взвешиваем на аналитических весах пустой стакан: m1=28,95 г.

Затем наливаем в него 10 мл раствора и снова взвешиваем: m2=34,093 г.

Плотность 100 %-ного раствора определяем по формуле:

=(34,093-28,95)/10=0,514 г/мл

Для приготовления 0,1 %-ного раствора необходимо отобрать и растворить 1 г раствора в 1000 г дистиллированной воды. Объем 1 г раствора составит: V=1/0,514=1,94 мл. Наливаем 1,94 мл в фарфоровый стакан, доводим дистиллированной водой до 1000 мл.

После приготовления рабочего раствора микрофлокулянта, по методике готовим суспензию волокнистой массы(5 параллельных проб). Затем на аппарате СР-2 делаем холостой замер и для каждой из проб по 5 замеров водоотдачи при различной концентрации микрофлокулянта в массе. Необходимо отметить, что после добавления микрофлокулянта водоотдача замедляется и продолжается 3 мин. Результаты измерений представлены в таблице 4.7.1.:

По данным таблицы построим графики. На графике 4.7.1. изображены кривые, показывающие зависимость между количеством добавляемого микрофлокулянта и количеством воды, выходящей через боковое и центральное отверстии.

Как видно из графика с увеличением концентрации микрофлокулянта в массе уменьшается водоотдача через боковое отверстие и увеличивается через центральное.

На графике 4.7.2. представлена зависимость между количеством добавляемого микрофлокулянта и водоудержанием.

Кривую можно разбить на несколько участков. На 1-ом участке, до концентрации 20 г/т происходит уменьшение воды в массе. Затем, от 20 г/т до 60 г/т, начинается плавный подъем- 2-ой участок. На 3-м участке водоудержание уменьшается и достигает минимального значения, 16,5 мл, при концентрации 100 г/т. Если на этом же графике построить кривую по экстраполированным точкам, то получается обратно пропорциональная зависимость между количеством микрофлокулянта и водоудержанием.

Замедление процесса обезвоживания связано с образованием микрофлокул за счет удержания мелкого волокна; волокнистая масса становится менее пористой. Помимо этого часть микрофлокулянта растворяется в воде, в результате, вязкость последней возрастает.

Из проведенных можно сделать следующие выводы:

• все функциональные химические вещества активно и в большой степени влияют на обезвоживание волокнистой массы.

• однако, характер влияния у них отличен: флокулянт, деаэратор, катионная смола уменьшают водоудержание и по степени воздействия их можно расположить в следующий ряд- флокулянткатионная смоладеаэратор, причем деаэратор имеет более сложную зависимость, сначала до расхода 40 г/т наблюдается уменьшение водоудержания, а затем плавное увеличение.

• напротив, катионный крахмал- увеличивает водоудержание.

• установленный в данной экспериментальной работе характер влияния функциональных веществ на водоудержание следует учитывать технологам в производстве тех видов бумаги и картона, где применяют эти вещества.

Например, применение деаэратора наиболее целесообразно при расходе до 40 г/т, т.к. происходит усиленное обезвоживание, способствующее увеличению скорости БДМ. И, наоборот, снижение производительности БДМ, которое возможно при использовании катионного крахмала, будет компенсировано качеством производимой бумаги.

Применение функциональных химических веществ, испытуемых в данной работе, безусловно, улучшают качество бумаги и картона. А, учитывая проведенные исследования, улучшится и технология.

2.Аналитическая часть.

Процесс проклейки бумаги или картона в массе начинается с введения клея в водно-волокнистую суспензию и завершается в сушильной части бумагоделательной машины. Следовательно, начиная с этого момента и кончая получением готовой продукции, этот процесс подвержен активному воздействию многих технологических факторов. Одним из основных факторов является качество клея.

Клей представляет собой водный раствор гидрофобных веществ с размерами частиц, отвечающими коллоидным системам и концентрацией 15-35 г/л по сухому остатку. При приготовлении клея стремятся к получению как можно более мелкодисперсной и стабильной коллоидной системы гидрофобных материалов, поэтому техника приготовления клея, как правило, основана на многообразии современных приемов и методов.

В мировой практике, хотя и появилась целая серия синтетических клеев для самого широкого ассортимента бумаги и картона для проклейки в массе, канифольные клеи занимают, по-прежнему, доминирующее положение.

Канифоль-это аморфная, твердая, хрупкая стекловидная масса с характерным раковистым изломом, состоящая в основном из смоляных кислот, общей формулы C₂₀H₃₀O_2. Чтобы сделать смолу пригодной для проклейки бумажной массы необходимо перевести ее из гидрофобного состояния в гидрофильное. Поэтому первой стадией изготовления клея, относящаяся к одному из важнейших процессов технологии, является варка клея, то есть нейтрализация смоляных кислот водным раствором щелочи при повышенной температуре. Часто этот процесс называют омылением канифоли из-за сходства продуктов омыления солей щелочных металлов и смоляных кислот-смолянокислого натрия с мылами. Полученный продукт является промежуточным и представляет собой концентрированную, с содержанием 60-70 % по массе сухих веществ, однородную пасту от темно-серого до коричневого цвета.

Вторым важнейшим процессом при приготовлении клея, является диспергирование, или разбавление в воде, клея-пасты, то есть получение собственно коллоидного раствора гидрофобного материала. Диспергирование протекает либо самопроизвольно, либо с помощью специальной аппаратуры: паровых эжекторов или роторно-пульсационных аппаратов. Использование того или иного метода зависит от требуемой дисперсности коллоидных частиц, которая в любом случае должна быть, возможно, максимальной. На этой стадии получают растворы с концентрацией 80-120 г/л.

Для омыления 100 кг канифоли требуется в соответствии с условиями стехиометрии 13,2 кг едкого натра или 17,5 кг соды. В зависимости от содержания в клее свободной неомыленной смолы различают: канифольный бурый, белый и высокосмоляной клей. Кроме того, в настоящее время широко применяются композиционный и пековый клей.

Канифольный бурый клей практически не содержит свободной смолы, при его получении задают столько щелочи на варку, чтобы нейтрализовать все смоляные кислоты. Получаемая клей-паста легко диспергируется в воде (даже самопроизвольно), образуя при этом прозрачный коллоидный раствор бурого цвета. Коллоидные частицы характеризуются как среднедисперстные и эффективность клея достаточно высока.

Канифольный белый клей обычно содержит 10-30 % свободной смолы. Содержание в готовом клее-пасте неомыляемых смоляных кислот существенно сказывается на диспергируемости и свойствах клея. С увеличением свободной смолы свыше 20 % возрастает мутность клеевого раствора, он становится более блеклым и жидкотекучим. При этом стабильность снижается, так как коллоидные мицеллы, находившиеся в гидрофильном состоянии, переходят в гидрофобные коллоидные дисперсии. Практика показала, что нейтральный клей с содержанием 15-20 % свободной смолы обладает наибольшей стабильностью. Полностью омыленный неразбавленный клей склонен к отслаиванию.

Для получения коллоидного раствора требуется применение специальных методов, в частности способы Эрфурта и Арледтера. Первый из этих способов является одноступенчатым. В инжекторе-распылителе предварительно нагретый смоляной клей перемешивается и распыляется под давлением паровой струи. Основным недостатком метода Эрфурта является непосредственный контакт смолы и пара. Кроме того, температура клеевого молочка сравнительно высока, что приводит к нежелательной коагуляции, выражающейся в смоляных пятнах в бумаге.

Внедрение способа многоступенчатой инжекции Арледтера позволило устранить непосредственное воздействие пара и снизить температуру клеевого молочка. Однако и этот метод не удовлетворяет все возрастающие требования в отношении стабильности раствора клеевых частиц.

Полученный коллоидный раствор характеризуется более высокой степенью дисперсности клеевых частиц по сравнению с бурым, мутностью, непрозрачностью, белым или слегка желтоватым цветом. По своей проклеивающей способности он эффективнее бурого клея.

Высокосмоляной клей содержит до 80 % свободной смолы и характеризуется высокой степенью дисперсности частиц и проклеивающей эффективностью. Преимущество высокосмоляного клея послужило толчком к разработке практических способов его получения. Если известно число омыления, не составляет труда обработать лишь некоторую часть канифоли, используя для этого небольшое количество едкого натра. Проблема заключается в том, чтобы частично омыленную канифоль довести до максимальной дисперсности в воде. При наличии высококачественных сортов светлой канифоли несклонной к кристаллизации, можно получить стабильные дисперсии с содержанием свободной смолы до 90 %, что достигается применением соответствующих защитных коллоидов и эмульгаторов. Однако содержание в клее свободной смолы не должно превышать определенных пределов, так как это затрудняет диспергирование.

Клей с высоким содержанием свободной смолы приготавливался прежде без применения эмульгаторов. Упомянутые выше способы Эрфурта и Арледтера предусматривали изготовление клея с содержанием свободной смолы до 50-60 %. Положение изменилось с применением гомогенизаторов, работающих под давлением, а также защитных коллоидов (способы Жилетт, Триплекс, Штульмана).

Решение проблемы принадлежит Б.Вигеру, разработавшему способ приготовления клея Бевойд, позволивший выпускать его в промышленных масштабах и вытеснивший большую часть методов, ранее применяемых на бумажных фабриках. Основным узлом системы для приготовления клея является диспергатор, представляющий бак особой конструкции, снабженный мешалкой с двух ступенчатой передачей на 60 об/мин. При изготовлении дисперсий клея Бевойд измельченная канифоль расплавляется и медленно перемешивается. Затем она частично омыляется 45-% раствором едкого натра, что сопровождается быстрым перемешиванием и диспергированием в присутствии казеина, растворенного в щелочи. Клей разводят вначале горячей водой, а затем холодной водой. Готовая клеевая дисперсия в зависимости от сорта канифоли может содержать от 70 до 90 % свободной смолы, даже при концентрации 35- 45 % клей является жидкотекучим. Внешне раствор похож на клеевое молочко от белого до желто-белого цвета. Дальнейшее разведение клея в случае необходимости может производиться холодной водой.

С точки зрения коллоидной химии клей Бевойд представляет собой коллоидную дисперсию, состоящую из частиц шаровой формы, заключенных в оболочку защитного коллоида. Благодаря этому достигается повышенная стабильность клея, и возможность хранения его в течение длительного времени. Однако дисперсии следует предохранять от воздействия холода и температуры выше 45°С, они теряют стабильность и деструктируют.

С помощью особой технологии производства получают частицы очень малой величины, находящиеся в состоянии непрерывного хаотического перемещения, согласно теории бруоновского движения молекул. Диаметр частиц в условиях высокой дисперсности составляет 0,5-0,15 мк. Если диспергирование неполное, то частицы имеют диаметр 3-5 мк, происходит их седиментирование и стабильность клея снижается.

Весьма стабильные дисперсии высокосмоляного клея можно получить методом Хагойд, предложенный Г. Граскофом. Размер частиц клея Хагойд чрезвычайно равномерен и несколько меньше, чем у клея Бевойд. Особенность способа заключается в замене около 25 % канифоли каким-либо другим дешевым материалом, частицы которого образуют клеевое ядро. Таким заместителем является каолин особого сорта, известный под маркой “ Koloisol “. При концентрации 40 % такие дисперсии, содержащие 30 % канифоли, являются жидкотекучими, а применение наполнителя экономит расход канифоли.

Следует также коротко упомянуть еще об одном способе приготовления клея, известный под названием “ Prosize ”. В этом случае канифоль подвергается сильному омылению, а для стабилизации применяют защитный коллоид (казеин или соевый протеин) и борную кислоту. В полученную дисперсию клея с высоким содержанием свободной смолы дополнительно вводят защитный коллоид в целях большей стабилизации.

Высокосмоляные дисперсии с успехом используются при избыточной жесткости воды, так как они менее чувствительны к ней, чем нейтральный канифольный клей. Положительным фактором также является низкая температура спекания, особенно, при производстве высокосортных бумаг.

В производстве канифольных клеев долгое время использовалась исключительно живичная канифоль. Поэтому вышеописанные технологии приготовления были разработаны для нее. В настоящее время стремительное развитие сульфатцеллюлозного производства и тенденция на утилизацию побочных продуктов, привели к выработке талловой канифоли, ставшей заменителем дефицитной живичной.

Талловую канифоль получают при фракционировании таллового масла. Современные ректификационные установки позволяют получить продукт с температурой плавления в пределах 50-60°С и кислотным числом 160-170 мг КОН / 1 г канифоли. Химический состав талловой и живичной канифоли различен, и это, как показала практика, оказывает существенное влияние на процесс приготовления клеевых дисперсий и технологию их использования.

В таблице1 приведены данные характеризующие содержание смоляных кислот различных видов канифоли.

Как видно из таблицы, талловая смола состоит в основном из абиетиновой кислоты, в ней совершенно отсутствует левопимаровая кислота, непременный компонент канифоли, обладающий сопряженными двойными связями. Отсутствие в талловой канифоли перечисленных выше смоляных кислот вызвано нагреванием сырого таллового масла в процессе производства сульфатной целлюлозы и при вакуумной перегонке.

Если образование и переход левопимаровой кислоты в неоабиетиновую кислоту, а в дальнейшем в поллюстровую и абиетиновую кислоты является обратимым процессом для канифоли, у талловой смолы абиетиновая и дигидроабиетиновая кислоты, как и дегидроабиетиновая уже не находятся в равновесии и, за исключением абиетиновой, не изомеризуются.

Вследствие высокого содержания абиетиновой кислоты, являющейся ненасыщенным соединением с сопряженными двойными связями, талловые смолы по сравнению с канифолью обладают более высокой способностью к кристаллизации и окислению кислородом воздуха. Вероятно, по этой причине до 1960 года талловую канифоль применяли лишь для проклейки низкосортных видов бумаг и картона.

Для проклейки бумаг и картона не существует универсального клея, пригодного для различных условий работы бумажной фабрики. Эффективность клея во многом зависит от вида целлюлозы, качества производственной воды и других факторов. Наиболее классическим проклеивающим материалом является белый клей (содержание свободной смолы 15-25 %) из живичной канифоли, который пригоден для широкого ассортимента бумаг. Режим варки этого клея хорошо освоен, он применяется при периодической и непрерывной проклейки.

При использовании талловой канифоли для проклейки бумаги также первоначально применяли белый клей, не учитывая различий в химическом составе живичной и талловой канифоли. Дальнейшие исследования показали, что клей из талловой канифоли с содержанием свободной смолы 20-25 % является неустойчивым, частицы образуют крупные алюморезинатные комплексы (до 10 мк).

Поскольку считается общепризнанным, что осадок канифольного клея фиксируется на волокнах в виде отдельных частиц, а не в виде непрерывной пленки, частицы свободной смолы канифоли находятся в основном на поверхности волокон. И если удерживаемость частиц белого клея из живичной канифоли составляет в бумаге 50-60 %, то удерживаемость смоляных агрегатов из талловой канифоли составляет 40 %. Наоборот, проклейка нейтральным клеем на основе талловой канифоли является более эффективным. Поэтому применение в бумажной промышленности натуральной талловой канифоли ограничено производством только полностью омыленных клеев.

Но и здесь возможны технологические затруднения, из-за высокой способности талловой канифоли к кристаллизации и окислению кислородом воздуха. С целью устранения отрицательных свойств канифоли проводят ее модификацию различными методами. К методам модификации, применяемым на практике для улучшения свойств канифоли, относятся:

1. гидрирование - присоединение одной или двух молекул водорода по месту двойных связей. Смоляные кислоты по-разному относятся к процессу гидрирования. Так, абиетиновая кислота, основной компонент талловой канифоли, гидрируется в растворе при обычной температуре, а в расплаве в присутствии катализатора. В качестве катализаторов применяются: никель, палладий, платина. По физико-химическим свойствам гидрированная канифоль имеет другой состав смоляных кислот, которые не окисляются на воздухе. Она на 2-4 марки светлее исходной канифоли, менее хрупка и светоустойчива.

В США практическое распространение получила пергидрированная канифоль, содержащая в основном тетрагидроабиетиновую кислоту. Зарубежный опыт использования такой канифоли показывает, что наиболее целесообразно применять ее в композиции бумаги, предназначенной для длительного хранения. Однако гидрирование талловой канифоли сопряжено с определенными трудностями из-за наличия в ней большого количества неомыляемых и нейтральных веществ, которые отравляют катализатор и снижают скорость процесса.

2. диспропорционирование- это процесс направленной термической изомеризации смоляных кислот.В результате реакции диспропорционирования образуются де-, ди- и тетрагидроабиетиновые кислоты.

Процесс диспропорционирования ведется при высокой температуре в присутствии катализаторов. При диспропорционировании не играет решающей роли состав канифоли, однако, предварительное удаление вредных примесей позволяет получать высококачественную канифоль. Диспропорционированная канифоль обеспечивает высокую стабильность проклейки бумаги при сравнительно небольшом расходе (2 % от массы волокна). Она может быть рекомендована при производстве сильноклееных бумаг.

3. полимеризация- сокращение в молекулах смоляных кислот числа двойных связей за счет реакции каталитической полимеризации.

Полимеризацию канифоли проводят в растворах бензина и бензола в присутствии катализаторов: серной, ледяной уксусной и фосфорной кислот. Полимеризованная канифоль дает хороший проклеивающий материал для получения нейтрального и белого клеев с содержанием свободной смолы до 30 %, обеспечивает более стабильную проклейку при меньшем расходе (около 3 % к весу сухого волокна).

4. конденсация канифоли с непредельными соединениями- самый распространенный способ модификации талловой канифоли. Различают 3 способа:

1. диеновый синтез по Дильсу-Альдеру, т.е. взаимодействие веществ, имеющих сопряженную двойную связь, с α, β- ненасыщенными карбоновыми кислотами или их ангидридами;

2. конденсация канифоли с формальдегидом или формальдегидными смолами (реакция Принса);

3. сочетание первого и второго способов;

Чаще всего для проведения реакции диенового синтеза применяют малеиновую или фумаровую кислоты или их ангидриды.

Реакцию модификации канифоли малеиновым ангидридом проводят при температуре 150-220°С. При этом содержащиеся в канифоли абиетиновая, неоабиетиновая, полюстровая кислоты изомеризуются в левопимаровую, которая и вступает в реакцию. Процесс осуществляется при постоянном перемешивании массы, причем модифицирующий агент вносится постепенно небольшими порциями. Конечным продуктом является малеопимаровая кислота. Она представляет собой белый кристаллический порошок с температурой плавления 222-224° С и кислотным числом 270-278 мг КОН/г.

Канифольно-фумаровые аддукты получают сплавлением фумаровой кислоты с канифолью. Оптимальная температура реакции 190-200°С.

Аддукты канифоли, малеиновой или фумаровой кислоты имеет температуру размягчения 79°С, кислотное число 185,3 мг КОН/г. стоек к окислению кислородом воздуха и его цвет на 2-3 марки выше, чем у исходной канифоли.

Канифоль модифицируют также конденсацией с формальдегидом или формальдегидными смолами.

Обычно на 100 массовых частей канифоли берут 1-6 массовых частей формальдегида или параформальдегида, реакция протекает в течении 3-10 часов и при Т=120-170°С.

Оба вышеописанных способа могут применяться и в сочетании. При этом наиболее благоприятные результаты достигаются, когда за реакцией с формальдегидом следует реакция Дильса-Альдера. Талловая канифоль модифицированная непредельными соединениями характеризуется большим содержанием карбоксильных групп. На ее основе готовят усиленные канифольные клеи, особый приоритет в этом принадлежит США.

Технологию производства таких клеев можно разделить на 2 этапа. На первом этапе проводят реакцию модификации, например, реакцию Дильса-Альдера. Если теоретически для модификации всей канифоли необходимо 33 % малеинового ангидрида, то для реакции используют 3-10 %. Таким образом, в усиленном клее модифицировано 15-45 % канифоли. На втором этапе проводят реакцию омыления щелочью, с образованием третичной соли натрия малеопимаровой кислоты:

Усиленные канифольные клеи в сравнении с обычным является жидкотекучим при одной и той же концентрации. Даже при концентрации в пределах 50 % эти клеи еще сравнительно жидкотекучие, что позволяет транспортировать их насосами и легко разбавлять. При концентрации 70 % они представляют собой вязкую пасту, которая лишь после нагрева до 60-80°С становится жидкой и поддается разбавлению.

В последние годы талловая модифицированная канифоль применяется для приготовления высокосмоляных клеев. Зарубежный опыт показывает, что полностью модифицированная канифоль непригодна для производства дисперсий усиленного клея с высоким содержанием свободной смолы. В данном случае применяют смесь из обычной и модифицированной канифолей или канифоль определенной степени модификации. После частичного омыления и добавления определенных защитных коллоидов и вспомогательных химических веществ осуществляется диспергирование.

Дисперсии усиленного клея выпускаются при концентрации 40, 50, 85 % содержания свободной смолы. Эти клеи характеризуются чрезвычайно небольшим размером частиц и требуют для осаждения меньше сернокислого глинозема, чем усиленный нейтральный смоляной клей. При одной и той же степени проклейки расход дисперсий клея снижается до 40 против 35 % в случае с усиленным нейтральным клеем. В производственных условиях расход канифоли сокращается в среднем на 15-35 %.

Рецептура и технология приготовления канифольных клеев постоянно обновляется. Помимо добавления различных защитных коллоидов для стабилизации клеевых частиц, довольно широкое применение приобрели добавки к канифольному клею полиакриламида. Он не только снижает расход высокосмоляного клея, но и улучшает качество проклейки, повышает прочность бумаги, помогает удерживать наполнители, что позволяет увеличить их количество.

В отечественной литературе имеются сообщения о введении полиакриламида в типографскую бумагу № 1 В США и Англии запатентован ряд рецептов пропиточных составов с применением полиакриламида и других катионо- или анионоактивных полиэликтролитов, вводимых в небольших количествах. Качество проклейки в этом случае улучшается за счет того, что катионоактивные добавки быстрее адсорбируются на волокнах целлюлозы, чем смоляные кислоты. Это увеличивает число активных центров на поверхности волокна для адсорбции смоляных кислот. Увеличение скорости адсорбции в свою очередь способствует равномерному распределению частиц проклеивающего материала на поверхности волокон, так как они не успевают вырасти до макрочастиц. По американским данным, при введении катионо-активных веществ в количестве 0,5-2 вес. ч. на 1 вес. ч. канифольного клея водоустойчивость бумаги повышается вдвое. Повышается также устойчивость бумаги к кислотам и щелочам. При этом способе проклейки не требуется точного выдерживания рН среды. Проклейка идет хорошо при любом значении рН.

Кроме полиакриламида, в качестве добавок, снижающих расход канифольного клея могут применяться и другие катионо-активные вещества, например, акриламид акриловой кислоты, полиэтиленамин, полициклогексиламино-алкил (мет) акрилатамин и др.

В литературе все эти вещества объединены общим термином функциональные химические соединения. При добавлении их в бумажную массу, они не только способствуют удержанию и фиксации на волокне частиц высокосмоляного клея, но также влияют на водоотдачу, удерживают мелкое волокно и наполнитель и дают возможность получения бумаги с заданными свойствами.

Так, например, для увеличения прочности бумаги в бумажную массу обычно добавляют вещества, являющиеся полимерами с относительно высокой молекулярной массой и с большим содержанием гидроксильных групп, способных образовывать водородные связи (моннногалактаны, крахмал и пр.). Как указывает Ф. Вульч добавка к бумажной массе монногалактанов способствует увеличению сопротивлений бумаги излому и выщипыванию, положительным образом сказывается на уменьшении склонности бумаги к пылению, повышается величина показателей гладкости и удлинении бумаги при растяжении. Заметно улучшается просвет бумаги и увеличивается удержание наполнителей. Тот же автор отмечает, что если частично отказаться от повышения механической прочности и при добавке монногалактана немного снизить степень помола бумажной массы, то одновременно достигаются дальнейшие преимущества: повышение показателей сопротивления раздиранию, мягкости, светонепроницаемости, впитывающей способности.

Если вводить в бумажную массу альгинаты, представлющие собой гидрофильные коллоиды, достигается повышение многих показателей механической прочности бумаги: сопротивлений разрыву, продавливанию, выщипыванию и истиранию. Бумага и картон, предназначенные для печати, приобретают более мягкую и равномерную поверхность. Отмечается повышение удержания минеральных наполнителей и мелких волокон, повышается стабильность размеров бумаги и снижается впитывание чернил, красителей и лаков.

В современных производственных условиях применение функциональных химических соединений необходимо в связи с увеличением скоростей бумагоделательных машин. Это повлекло за собой ускорения процесса обезвоживания на сетке. Под влиянием вакуума, образующегося под сеткой, через нее уходят в оборотную воду мелкие волокна, проклеивающие вещества и частицы минерального наполнителя. Очевидно, что чем выше вакуум, тем в большей степени наблюдается провал мелочи сквозь сетку. Особенно это характерно для современных быстроходных бумагоделательных машин.

С целью удержания мелкого волокна и частиц наполнителя в массу непосредственно перед бумагоделательной машиной вводят вещества, вызывающие хлопьеобразование. Чаще всего используют полиэтиленимин или полиакриламид. Последний представляет собой сополимер акриловой кислоты и акриламида. В сухом виде это белый порошок, нерастворимый в большинстве органических растворителей, но растворимый в воде. Некоторыми предприятиями химической промышленности он выпускается в виде 8 %-ного водного коллоидного раствора, устойчивого при хранении в условиях нейтрального значения рН. Этот раствор имеет вязкую желеобразную консистенцию. При подогреве и перемешивании раствор может быть разбавлен водой до нужной рабочей концентрации (0,2-0,3 %).Химический состав ПАА отвечает формуле:

Отдельные партии технического продукта часто отличаются между собой по физико-химическим свойствам в зависимости от его степени полимеризации, наличия примесей и соотношения в продукте амидных и карбоксильных групп

Оптимальными значениями рН массы для эффективного действия ПАА является рН в пределах 4,5-6,0. В этих условиях при дозировке из расчета 150-300 г абс. сухого ПАА на 1 т бумаги удержание наполнителя увеличивается на 20-25 %. Объясняется это тем, что удлиненные молекулы ПАА одновременно связываются с несколькими взвешенными частичками наполнителя, которые оказываются связанными между собой в крупные агрегаты-флокулы. Последние состоят из твердых частиц, “ прошитых ” длинными нитями молекул ПАА. Такие флокулы хорошо задерживаются слоем волокон на сетке бумагоделательной машины.

Полиэтиленимин получают полимеризацией этиленамина, он имеет сильно разветвленную макромолекулу. Химический состав ПЭИ отвечает формуле:

Х. Лухтенберг приводит следующий пример применения ПЭИ для повышения удержания наполнителя и волокон при выработке картона массой 350 г/ м ² с содержанием в композиции большого количества бумажной макулатуры. ПЭИ при концентрации 0,1-0,2 % вводился в волокнистую массу в количестве для покровного слоя 0,12 %, средних слоев 0,18-0,22 % и нижнего 0,27 % к массе волокон. Опыты показали, что в результате введения в среднем 0,2 % ПЭИ удержание волокон и наполнителя повысилось с 65 до 83 %. Производительность машины увеличивается за счет улучшения обезвоживания на 9 %. Удельный расход пара снизился 2,1 до 1,9 т/ 1т картона вследствие повышения сухости после прессов с 38,4 до 39,5 % и облегчения удаления паров при сушке. Помимо синтетических флокулянтов (ПАА, ПЭИ и др.) применяются природные полимеры: карбоксиметилцеллюлоза, катионный крахмал.

Однако применение этих химикатов способствует хлопьеобразованию, что является нежелательным процессом при отливе бумаги. Но, по мнению Фляте, рыхлые хлопья, полученные благодаря флокулирующему действию полимеров и состоящие из мелких волокон и частиц наполнителя, связанных между собой электростатическими силами, отличаются по своим свойствам от пучков(сгустков) длинных волокон. Рыхлые и мелкие хлопья делают просвет бумаги в ряде случаев более равномерным благодаря повышенному удержанию в бумаге мелочи, заполняющие пространство между длинными волокнами. Эффект хлопьеобразования можно свести к минимуму, если перед подачей на сетку интенсивно перемешивать вещества массы и точно дозировать флокулянт. Так, например, дефлокулирующее действие крахмала наблюдалось при его добавке в суспензию в количестве 0,5-1 % к массе абсолютно сухой волокон. Дальнейшее увеличение содержания крахмала приводит к усилению неравномерности просвета засчет флокулирующего действия этой добавки и замедление процесса обезвоживания.

При отливе бумажного листа одним из нежелательных компонентов массы является воздух, содержащейся в ней от 0,4 до 6 % по объему. Это, казалось бы, небольшое содержание воздуха в массе на самом деле является высоким по отношению к объему волокон. Вредное влияние воздуха в бумажной массе обнаруживается при выделении его в виде пузырьков и сказывается в образовании пены и сгустков волокон в потоке массы, что влечет появление в бумаге воздушных пузырей, неравномерности просвета и других дефектов. Увеличивается брак бумажной продукции и возрастает число обрывов бумажного полотна на бумагоделательной машине. При изготовлении цветных видов бумаги пенообразование нередко влечет за собой скопление частиц красителя на стенках пузырьков и получения неравномерной, с пятнами, окраски бумаги.

Для устранения сильного пенообразования при выработки некоторых видов бумаги вводят специальные химические добавки. По литературным данным, хорошие результаты дали применение этилового спирта, расходуемого в количестве 0,0005-0,005 % от массы волокон. Также применяются спирты жирных кислот, особенно, при низкой жесткости воды, а при высокой жесткости воды - эмульгируемые продукты конденсации этиленоксида. Хорошими противопенными средствами считаются эфиры жирных кислот, высокомолекулярных спиртов и силиконовые соединения. При использовании противопенных средств следует учитывать, что они сохраняют свою химическую активность в слабых растворах лишь в течение нескольких часов и во многих случаях ухудшают проклейку. Иногда пенообразование снижается при введении в бумажную массу сернокислого глинозема. Однако известны случаи, когда добавки его или ПАВ повышали пенообразование. Таким образом, эффективность введения этих химикатов, по-видимому, зависит от их дозировки, которую необходимо устанавливать в зависимости от местных производственных условий.

Также при выработки бумаги на быстроходных бумагоделательных машинах при переходе бумажного полотна с сетки на первое прессовое сукно часто возникают обрывы. Причиной обрывов является то, что еще не уплотненное и сильно увлажненное полотно является менее прочным, и не поддерживаемое сеткой или сукном, слабо сопротивляется действию натяжения. Поэтому влагопрочность, или прочность бумаги, находящейся во влажном состоянии, является важным свойством не только специальных видов бумаги, но и любого вида бумаги, изготовляемой на современных машинах.

Различают начальную, или естественную влагопрочность и искусственную, достигаемую введением синтетических смол или других веществ. Для увеличения начальной влагопрочности обычно в композиции увеличивают содержание целлюлозы. Так по экспериментальным данным Дж. Мак Келама, с увеличением содержания целлюлозы в композиции газетной бумаги от 9,1 до 23,1 % прочность этой бумаги при содержании в ней 20 % сухого вещества (начальная влагопрочность) возрастает на 18 %.

Вообще о влагопрочности бумаги судят по степени сохранения ею влажном состоянии первоначальной прочности, которую она имела до увлажнения, находясь в воздушно-сухом состоянии. Этот показатель для обычных видов бумаги находится в пределах от 3 до 10 % и редко достигает 14 процентов. Искусственными методами, при выработки специальных видов бумаги и картона, можно добиться получения влагопрочности, доходящей до 60 процентов. Область применения таких видов бумаги и картона весьма обширна: для печати морских и полевых карт, для упаковки влажных пищевых продуктов, денежная бумага и прочее.

Для придания бумаге влагопрочности применяются различные средства:

• обработка бумаги-основы серной кислотой;

• покрытие поверхности бумаги влагостойким лаком;

• ламинирование;

• каширование (скрепление бумаги с металлической фольгой).

Однако наибольшее распространение в мировой практике получили методы с использованием в композиции бумаги мочевино-формальдегидных или меламино-формальдегидных смол. Исходными продуктами для их получения являются соответственно мочевина- СО (NH ₂) ₂ и меламин- (CNNH ₂) ₃. Реакция взаимодействия этих веществ с формальдегидом идут по следующим схемам:

Мочевино-формальдегидная смола легко растворима в воде и поэтому ее применение проще, чем меламино-формальдегидной смолы, которую растворяют в слабом растворе соляной кислоты при температуре около 30°С.

Из исследований свойств мочевино- и меламино-формальдегидных смол было установлено, что неионные мочевино-формальдегидные смолы при введении их в бумажную массу не обеспечивают эфффективного придания влагопрочности изготовляемой бумаге. Путем введения в процессе синтеза смолы модификаторов мочевино-формальдегидной смоле могут быть приданы катионные или анионные свойства. Хорошие результаты были получены для изготовления катионной мочевино-формальдегидной смолы при использовании в качестве модификатора этилендиамина, а при изготовлении анионной- бисульфита натрия. При этом катионная смола обеспечивала высокие показатели влагопрочности изготовляемой бумаги в условиях использования различных волокнистых полуфабрикатов. Анионная же смола, требующая применения сернокислого алюминия для своего осаждения на волокнах, обеспечивала лучшие результаты при использовании для изготовления бумаги волокон небеленой целлюлозы, особенно сульфатной. Все три вида смол (меламиновая, анионная и катионнная мочевино-формальдегидные) способствуют увеличению жесткости бумаги. В большей степени этому способствует меламино-формальдегидная смола, ведение которой больше снижает и впитывающую способность бумаги.

В зависимости от требуемой степени влагопрочности эти смолы вводят в массу в количестве от 1 до 5 % сухой смолы к массе сухих волокон. Наблюдения показали, что наиболее целесообразно вводить смолы в напорный ящик бумагоделательной машины.

Технологический процесс изготовления влагопрочных видов бумаги на бумагоделательной машине, в общем, ничем не отличается от соответствующего процесса изготовления обычной бумаги за исключением режимов сушки и переработки сухого брака. При сушке происходит поликонденсация находящихся в бумаге искусственных смол, переход их в водонерастворимое состояние с образованием между ними и растительными волокнами связей, которые вода уже не может полностью разрушить. Для протекания поликонденсации необходимо поддерживать температуру в середине и конце сушильной части в пределах 115-120°С.

Кроме указанных формальдегидных смол для придания бумаге влагопрочности применяют также диальдегидно-галактоманнановые смолы. Действие этих смол, повышающих прочность бумаги в сухом и во влажном состояниях, основано, судя по литературным данным, на блокировании гидроксильных групп в молекуле целлюлозы и образовании карбонильных групп. Заметно повышается прочность бумаги в воздушносухом и во влажном состояниях уже при расходе диальдегидной смолы всего лишь 1 % к массе волокон. Опыты показали, что с увеличением помола целлюлозы отмечался рост влагопрочности изготовляемой бумаги.

В тех случаях, когда бумага подвергается кратковременному действию влаги, для придания ей влагопрочности может быть использован глиоксаль, образующий с гидроксильными группами целлюлозы полуацетальные связи по схеме:

Полуацетальные связи глиоксаля с целлюлозой быстро возникают при высушивании и легко разрушаются при погружении бумаги в воду.

Одним из важных преимуществ технологии изготовления бумаги с использованием глиоксаля для придания ей влагопрочности по сравнению с технологией изготовления влагопрочной бумаги с применением мочевино- или меламино-формальдегидной смол является то, что влагопрочность бумаги не зависит от температуры сушки. У такой бумаги высушенной при комнатной температуре или при 100-150°С, влагопрочность одинакова и находится в пределах 30-40 %.

В бумажную массу глиоксаль вводить не рекомендуется, так как его реакция с гидроксильными группами целлюлозы протекает так же, как и с гидроксильными группами воды. Поэтому в присутствии большого количества воды глиоксаль реагирует не с целлюлозой, а с водой. Таким образом, лучшим способом использования глиоксаля для выработки влагопрочных видов бумаги является способ пропитки готовой бумаги.

Для изготовления влагопрочных видов бумаги представляет интерес применение в их композиции смол, полимеризующихся в слабощелочной или нейтральной среде. Использование подобных смол при изготовлении бумаги дает возможность без уменьшения впитывающей способности бумаги по отношению к воде получить одновременно высокую степень влагопрочности.

Одной из таких смол является поли-β-аспарагинвая смола катионного типа, хорошо растворяющаяся в воде и затем из водного раствора легко осаждаемая на растительных волокнах. Эта смола, судя по литературным данным, обнаруживает высокую эффективность действия даже в условиях введения ее в массу в малых количествах (примерно 1 % к массе волокон). Дальнейшее увеличение вводимой в массу смолы существенно увеличивает влагопрочность бумаги. Указанная смола способствует:

1. увеличению удержания в бумаге минерального наполнителя и мелких волокон (мельштофа);

2. повышению степени проклейки бумаги в случае применения канифольного клея;

3. уменьшению склонности бумаги к выщипыванию с ее поверхности отдельных волоконец, т.е. повышению прочности поверхностного слоя бумаги.

По данным работы [10], при изготовлении влагопрочных видов бумаги для печати весьма пригодной оказалась полиамидо-полиамино-эпихлоридная смола (ППЭ). Она одновременно придает бумаге много ценных свойств: повышенное удержание минеральных наполнителей и мелких волокон, стабильность размеров, повышенные показатели механической прочности и особенно сопротивления отделению волокон с поверхности бумаги (при введении в массу из неразмолотой и непроклееной целлюлозы 1 % ППЭ этот показатель увеличивается в 2 раза), устойчивость к старению в случае использования в качестве наполнителя карбоната кальция и проклейки в нейтральной среде, хорошую способность к восприятию печатной краски (при оптимальной добавке в данном случае 0,35-0,5 % смолы).

Как видно из рассмотренных примеров ассортимент функциональных химических соединений очень разнообразен и постоянно обновляется. Химической промышленностью выпускаются более эффективные добавки нового поколения. Назначение новых функциональных химических соединений известно. Однако прежде, чем применять их при производстве бумаги следует определить какое количество химиката является наиболее эффективным, как во времени изменяется его влияние на бумажную массу, зависимость от температуры и рН среды. К тому же функциональные химические соединения могут неоднозначно вести себя в технологическом потоке и вызвать ряд нежелательных эффектов. Следовательно, перед использованием новой добавки следует всесторонне изучить е влияние на различные факторы технологического процесса. Данная исследовательская работа направлена на изучение влияния функциональных химических соединений на обезвоживание волокнистой массы. Она является началом большой научной работы, которая будет продолжена в будующем.

3. Методическая часть

3.1. Материалы, используемые при исследовании

3.1.1. Целлюлоза сульфатная лиственная беленая из смеси березы и осины вырабатывается на Котласском ЦКБ и Архангельском ЦБК по ТУ-810447-77 четырех марок:

ЛБ-0-для изготовления высококачественных видов бумаг и картона из 100 % целлюлозы;

ЛБ-1-для выработки писчей бумаги, бумаги для печати, тетрадной, белых покровных слоев многослойного картона;

ЛБ-2-для писчей бумаги, бумаги для печати, технических видов бумаг;

ЛБ-3- для производства санитарно-бытовых и гигиенических видов бумаг.В данной исследовательской работе использовалась целлюлоза марки ЛБ-1 со следующими характеристиками:

3.1.2. Крахмал-смесь полисахаридов, встречается в растениях в виде зерен. Его общая формула [C ₆H ₁₀O ₅]_n.

Полисахариды крахмала можно разделить на 2 главные фракции: амилозу и амилопектин.

Макромолекула амилозы представляет собой линейные, малоразветвленные цепи, состоящие из 200-1000 остатков Д-глюкозы, которые связаны между собой -гликозидными связями. Молекулярная масса полимера находится в пределах 32 000-160 000, легко растворим в воде и дает маловязкие растворы.

Макромолекула амилопектина сильно разветвлена, она содержит от 6—до 6000 остатков Д-глюкозы, связанной между собой -1,4 гликозидными связями, а в местах ветвлетвения -1,6 глюкозидными связями и обладает высокой полидисперсностью (молекулярная масса от 100 000 до 1 000 000). В воде растворяется при нагреве, растворы имеют стабильную высокую вязкость и прозрачность. В среднем крахмал содержит 25% амилозы и 75% амилопектина.

Применение природного крахмала затруднено в связи с повышенной вязкостью его растворов и склонностью к ретроградации, т.е. образованию осадка при хранении и охлаждении клейстера. Поэтому, на практике применяют модифицированные крахмалы: гидролизованные кислотами или энзимами, деструктированные, окисленные, замещенные.

Наилучшим образом зарекомендовали себя катионные крахмалы. Их синтез выполняется химическими методами и заключаются во введении в молекулу крахмала функциональных групп, несущих положительный заряд, например, четвертичный аммоний или фосфор, третичные амино-, сульфо- и др группы. Введение группы в молекулу происходит в результате обменной реакции:

В водной среде четвертичные аммонийные группы несут положительный заряд, обуславливающий катионные свойства крахмалов. Степень замещения водорода в Д-глюкозных звеньях катионными группами достигает 0,02-0,05 на одно звено. Третичные аммониевые группы снижают температуру клейстеризации крахмала, причем эта зависимость прямо пропорциональна. Приготовленные растворы крахмала являются стабильными даже при низких значениях рН, не подверженных ретроградации.

Катионный крахмал КК-5163 – белый порошок влажностью 14 %. Используется в бумажной промышленности для повышения ретенции волокна и наполнителя, увеличения прочности бумаги, понижения процесса пыления. Расход его составляет 5-10 кг/ т бумаги.

3.1.3. Флокулянт Ф852(ФП 852) представляет собой порошок белого цвета с содержанием основного вещества 99,9 %. Хорошо растворяется в воде. Однако благодаря своей высокомолекулярной природе его водные растворы даже при концентрации 1 % имеют очень вязкую, тягучую консистенцию. Поэтому при работе с флокулянтом рекомендуется готовить низкоконцентрированные растворы. Из-за наличия в макромолекуле функциональных групп, несущих положительный заряд, флокулянт П-852 характеризуется катионной активностью.

Основное назначение флокулянта- повышения удержания мелкого волокна и наполнителя в бумаге и картоне. Также целесообразно его использовать для осветления оборотной воды. Расход ФП-852 составляет до 100 г/ т бумаги или 1,5 г/ м ³ осветленной воды. При добавлении вещества в бумажную массу, в коллектор напорного ящика или трубопровод подачи массы перед напускным устройством, удержание мелкого волокна и наполнителя повышается на 20-25 %. Аналогичная эффективность достигается при использовании ФП для осветления воды.

3.1.4. Деаэратор Ф-112, продукт ЗАО «Новокремс». Представляет собой жидкую эмульсию белого цвета, концентрацией 27 % по сухому веществу. В состав водной эмульсии входят гидроксильные соединения, эфиры жирных кислот и поверхностно-активные вещества.

Деаэратор Ф-112 предназначен для удаления воздуха, в том числе растворенного, из водно-волокнистой суспензии бумажного полотна, а также из оборотных вод. Достигается это за счет понижения межфазного поверхностного натяжения на границе «волокно-вода» и «воздух-вода». Помимо основной функции, при введении ДФ-112, возможно повышение прочности мокрого бумажного полотна и интенсифицирование обезвоживания, повышается удержание наполнителя и мелочи в бумаге, улучшается обезвоживание в прессовой и сушильных частях, уменьшаются обрывы полотна.

3.1.5. Катионная смола МП - аналог полиамидо-полиамино-эпихлоридной смолы с улучшенными качествами. Представляет собой жидкость коричневого цвета и концентрацией сухого вещества 20 %. Основное функциональное назначение МП - придание бумаге влагопрочности. Кроме этого повышается удержание минерального наполнителя и мелких волокон, стабильность размеров, повышается механическая прочность, особенно, сопротивление отделению волокон с поверхности бумаги. Расход катионной смолы по сухому веществу составляет от 2 до 10 кг/ т бумаги.

3.1.6. Микрофлокулянт ОП представляет собой вязкую жидкость белого цвета с содержанием основного вещества 100 %. Его основное назначение- удержание в бумажной массе частиц минерального наполнителя и мелкого волокна.

3.2. Приборы, используемые в работе.

1. Дезинтегратор с частотой вращения пропеллера 3000150 об/ мин.

2. Аппарат СР-2 для определения степени помола типа Шоппер-Риглера. Снабжен сеткой № 40 по ОСТ 13 252.

3. Весы лабораторные с пределом взвешивания не более 1000 г, погрешность взвешивания не более 0,03 г по ГОСТ 24104.

4. Иономер Ч-135 М1.

5. Мешалка ЕР-10.

3.3. Приготовление рабочих растворов функциональных химических соединений.

3.3.1. Приготовление раствора флокулянта.

Растворы готовятся по процентной концентрации компонентов на единый объем.

Флокулянт ПР представляет собой белый порошок растворимый в воде. Растворы даже при малой концентрации вещества имеют вязкую желеобразную консистенцию. Поэтому для проведения лабораторных экспериментов готовим рабочий раствор с концентрацией 0,2 %.

На аналитических весах отвешиваем 1 г флокулянта и количественно переносим порошок в фарфоровый стакан объемом 1000 см ³. Добавляем 500 см ³ дистиллированной воды при Т=20С. Ставим стакан на водяную баню и нагреваем раствор при постоянном помешивании в течение 30-40 мин. Готовый раствор имеет однородную консистенцию, без комков и сгустков.

3.3.2. Приготовление крахмального клейстера.

Методика варки катионного крахмала состоит из следующих этапов:

1. определяем количество крахмала, которое необходимо для приготовления одного литра 2 %-ного раствора:

1000 г- 100 %

х г - 2 % , т.е. х = 1000*2/100 =20 г.

2. взвешиваем на аналитических весах 20 г катионного крахмала и переносим его в стакан объемом 1000 см ³.

3. добавляем дистиллированную воду в количестве 1 дм ³ и нагреваем на водяной бане при постоянном помешивании в течение 15-20 мин.

3.3.3. Методика приготовления раствора микрофлокулянта ОП.

Сначала определяем плотность исходного 100 %-ного раствора. Для этого взвешиваем на аналитических весах пустой стакан. Затем наливаем в него 10 мл раствора ОП и взвешиваем. Тогда плотность нашего раствора определяется по формуле: =(m2-m1)/10, где

m1-масса чистого стакана;

m2- масса стакана с раствора;

10 мл- объем раствора.

После определения плотности готовим рабочий раствор. Так как, исходный раствор имеет очень вязкую консистенцию, то рекомендуется в работе использовать растворы низкой концентрации, например, 0,1 %-ный.

Для приготовления 0,1 %-ного раствора находим объем раствора, который соответствует массе 1 г, т.е.V=1/. Отбираем полученный объем в фарфоровый стакан и доливаем дистиллированной водой до 1000 мл.

3.3.4. Методика приготовления проб целлюлозы.

Отбор проб сульфатной лиственной целлюлозы осуществляется в соответствии с ГОСТ 7004.

При приготовлении проб расчет ведут на количество абсолютно сухого волокна, поэтому сначала определяем влажность, используемой целлюлозы. Для этого навеску целлюлозы массой 1 г помещаем в предварительно взвешенный на аналитических весах бюкс. Затем бюкс с целлюлозой оставляют в сушильном шкафу при Т=105С.

Первое взвешивание проводим через 2 часа, затем каждые полчаса. Высушивание проводим до постоянной массы. Влажность целлюлозы определяем по формуле:

W= (p ₁-p ₂)/ p ₁*100 %; где

р ₁- навеска целлюлозы до высушивания;

р ₂- навеска целлюлозы после высушивания.

При проведении работы по определению влажности используем две параллельные пробы и конечный результат рассчитываем как среднее арифметическое.

После определения влажности, приступаем к подготовке пробы для роспуска. Допустим, для роспуска берется 16 г целлюлозы влажностью 71 %. Значит навеска в стакане равна:

16*100/29=55 г

Объем всей волокнистой суспензии должен составлять 1000 см ³. Следовательно, количество добавляемой воды составит: 1000-55=945 см ³.

Перед роспуском навеску целлюлозы помещают в стакан, заливают рассчитанным количеством воды, тщательно перемешивают и оставляют стоять 30 мин при Т=20˚С. Затем стакан закрепляют в дезинтеграторе и включают пропеллер. Роспуск осуществляется в течение 30-35 мин. После роспуска волокнистую суспензию из стакана переносим в мерный цилиндр объемом 1000см ³ и при необходимости доводим до отметки водой.

3.4. Исследование обезвоживания волокнистой массы в зависимости от количества добавляемого флокулянта.

Суспензию волокнистой массы, содержащую 2 г абсолютно сухой целлюлозы, помещают в измерительный цилиндр, доводят водой до 1000 см ³, при Т=20-25С и тщательно перемешивании.

В аппарате СР-2 закрывают уплотняющий конус, заливают суспензию в загрузочную камеру и через 5с поднимают уплотнительный конус. Вода при этом стекает через слой массы и сетку в стаканы, установленные под боковым и центральным отверстием. Таким образом, определяем объем воды вытекшей через боковое и центральное отверстии. Это холостая проба.

Затем собираем массу с сетки и помещаем в цилиндр. Добавляем необходимое количество флокулянта, доводим водой до объема 1000 см ³ и тщательно перемешиваем. Выливаем суспензию в аппарат и определяем количество воды, вытекшей оба отверстия. Для каждой концентрации флокулянта проводим 5 проб, конечный результат определяем как среднее арифметическое. Количество вводимого флокулянта при различных концентрациях представлена в таблице.

№ п/п	расход флокулянта на 1 т, г	расход флокулянта на 1 кг, мг	количество 0,2 % раствора, мл
1	20	20	10
2	40	40	20
3	60	60	30
4	80	80	40
5	100	100	50

3.5. Исследование обезвоживания волокнистой массы в зависимости флокулянта и времени его воздействия

Сначала готовим суспензию целлюлозы согласно предыдущей методике. Проводим холостое измерение. Затем собираем массу с сетки аппарата в мерный цилиндр и добавляем флокулянт. После добавления флокулянта суспензию перемешиваем и оставляем на 1 мин. По истечении времени выливаем ее в аппарат Шопер-Риглера и определяем количество вытекшей воды. Затем собираем массу обратно в цилиндр, заливаем собранную воду и выдерживаем 5, 10 и 30 мин. По истечении каждого контрольного времени проделываем замеры водоотделения.

3.6. Исследование обезвоживания волокнистой массы при заданной концентрации флокулянта и различных значениях рН.

Для измерения рН растворов используем иономер И-135М1. Прежде чем приступать к работе с прибором, необходимо внимательно ознакомиться с инструкцией и расположением отдельных узлов и органов управления.

1. Извлекаем из упаковки основание датчика со штангой.

2. Устанавливаем бачок проточного вспомогательного электрода сравнения на штангу датчика. Заполняем бачок насыщенным (при комнатной температуре) раствором хлористого калия. Для этого извлекаем из стеклянной трубки пробку со стеклянным волокном. Поднимаем наконечник на 1-2 см выше сосуда и, удерживая его в таком положении, заливаем в сосуд 150-300 мл раствора хлористого калия. Опускаем наконечник ниже уровня раствора в сосуде и поднимая его, добиваемся того, чтобы вся трубка была заполнена раствором хлористого калия без пузырьков воздуха, которые могут нарушить электрический контакт между контролируемым раствором и электродом. Затем опустить наконечник ниже уровня раствора (при этом раствор должен медленно вытекать из отверстия), образуя на выходе выпуклый мениск и вставить резиновую пробку со стеклянным волокном.

3. Подключаем хлорсеребрянный электрод к клемме с надписью «Всп».

4. Установить в держателе стеклянный электрод и автоматический термокомпенсатор. Подключить вывод стеклянного электрода к клемме «Изм».

5. Закрепляем положение ограничителя поворота столика зажимом с винтом. При закреплении ограничителя поворота следует обратить внимание на то, чтобы столик, отведенный в крайнее правое положение, находился под электродами и имел возможность поворота влево на 90 ˚.

6. Отвести столик влево на 90 ˚ , установить на него стакан с дистиллированной H₂O и погружаем в стакан стеклянный электрод для «вымачивания».

7. Подключаем прибор к сети 220 В с помощью сетевого шнура, он готов к работе.

Сначала определяем рН исходной волокнистой суспензии. Для этого из цилиндра в стаканчик отбираем 30 см ³ суспензии. Опускаем в стаканчик с суспензией эталонный электрод, затем измерительный. По шкале прибора определяем значение рН. Затем проводим холостую пробу на аппарате СР-2, измеряем количество воды, вытекшей через боковое и центральное отверстии. После добавления флокулянта также измеряем рН и водоотделение.

С целью определения количества кислоты или щелочи, которое необходимо добавить в суспензию, чтобы получить требуемый рН, находим экспериментальную зависимость. Для этого в стаканчик, содержащий 30 см ³ волокнистой суспензии с флокулянтом, добавляем равные объемы кислоты или щелочи измеряем получаемые значения рН. На основании этих данных строим графическую зависимость и по ней определяем, какое количество кислоты или щелочи требуется добавить к 30 см ³ суспензии для получения определенного значения рН. Найденные по графику значения, пересчитываем на объем суспензии 1000 см ³. Для каждого значения рН: 4; 4,5; 5; 6; 7; 8; 9 на аппарате СР-2 определяем водоотделение, проводя по 5 замеров, и конечный результат для каждого значения рН рассчитываем как среднее арифметическое.

3.7. Исследование влияния различных добавок КК-5163 на обезвоживание волокнистой массы

Методика проведения работы аналогична работе с флокулянтом. Сначала делается холостая проба. Затем вводят определенное количества КК-5163 и делают 5 замеров водоотделения на аппарате Шоппер-Риглера. Количество добавляемого крахмала приводится в таблице.

3.8. Исследование влияния добавок катионной смолы МП на обезвоживание волокнистой массы.

Катионная смола МП представляет собой раствор коричневого цвета концентрацией 20 %. Зная, расход сухого вещества на 1т массы пересчитываем его на объем 20 %-ного раствора. Аналогично предыдущим исследованиям сначала проводим холостую пробу, затем добавляем необходимое количество катионной смолы и измеряем водоотделение. Для каждого количества вводимой смолы проводим 5 замеров. Количество добавляемого МП приведено в таблице.

3.9. Исследование влияния добавок деаэратора Ф-112 на обезвоживание волокнистой массы.

Методика исследования аналогична предыдущим веществам. Деаэратор – водная эмульсия белого цвета 27 %-ной концентрации, имеет сметанообразную консистенцию. Поэтому готовим менее концентрированный раствор. Для этого берем 18,5 см ³ раствора и доводим дистиллированной водой до 100 см ³, в результате получаем раствор с содержанием сухого вещества 5 %. Количества данного раствора, необходимые при исследовании приведены в таблице.

3.10. Исследование влияния добавок микрофлокулянта на обезвоживание волокнистой массы.

Готовим волокнистую суспензию, содержащую 2 г абсолютно сухого вещества, и на аппарате СР-2 проводим холостой опыт. Далее собираем целлюлозу в мерный цилиндр, добавляем рассчитанное количество микрофлокулянта, доливаем водой до 1000 мл. На аппарате Шопер-Риглера определяем водоотдачу волокнистой массы. Необходимо провести 5 серий экспериментов с различным расходом. Для каждой концентрации делаем по 5 замеров и каждый результат определяем как среднее арифметическое. Количество добавляемого микрофлокулянта ОП приведено в таблице.

6. Охрана труда.

Система законодательных актов и соответствующих им социально-экономических, технических, гигиенических и организационных мероприятий, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда называется охраной труда.

Основными составными частями охраны труда являются трудовое законодательство, техника безопасности и производственная санитария, неразрывно связанные между собой. Законодательство по охране труда направлено на обеспечение безопасности труда на каждом рабочем месте, разработку и осуществление организационных и технических мероприятий, исключающих возможность возникновения несчастных случаев.

Вопросы охраны труда неразрывно связаны с технологией производства, конструированием и эксплуатацией технологического и вспомогательного оборудования, проектированием и устройством зданий и сооружений. Основной задачей охраны труда является устранение причин несчастных случаев и профессиональных заболеваний.

Проектные и внедряющие организации, научно-исследовательские институты, изучающие проблемы охраны труда на всех объектах народного хозяйства, разрабатывают необходимые меры для создания здоровых и безопасных условий труда, предупреждения несчастных случаев и содержания рабочих мест в надлежащем санитарно-гигиеническом и техническом состоянии согласно общим и специальным правилам.

Дальнейшее совершенствование производства, разработка новых материалов и технологий в большинстве случаев идут рядом со всё более широким применением химических веществ в различных композициях. А решить поставленные задачи можно лишь при наличии большого числа исследовательских химических лабораторий, укомплектованных современными приборами и широким спектром необходимых химических реактивов. Но главный залог успеха  грамотный персонал лаборатории, соблюдающий дисциплину труда и чётко выполняющий все правила по охране труда.

Современная химическая лаборатория, даже без учета конкретного характера ее работы, оборудована сложным комплексом санитарно-технических, энергетических и других вспомогательных устройств. Характер работы химической лаборатории требует поэтому определенной организации и режима. Неправильная организация работы лаборатории и нарушение ее режима, как правило, приводят к созданию условий профессиональной вредности, отравлениям и травматизму.

Обеспечение безопасности труда, освобождение работающего от излишнего перенапряжения способствует более эффективному использованию затрачиваемой энергии и тем самым увеличению производительности труда.

Оптимальный уровень благоприятных для человеческого организма условий труда является непременным и основным элементом высокой культуры производства.

Существуют общие правила по технике безопасности при работе в химических лабораториях института.

В данном разделе проведен анализ условий труда с точки зрения наличия вредных факторов производства в процессе проведения опытов, рассмотрены мероприятия по созданию безопасных и безвредных условий труда в химической лаборатории, а также выполнен расчёт искусственного освещения с применением люминесцентных (газоразрядных) ламп.

6.1. Производственная санитария.

Система организационных и санитарно-технических мероприятий и средств, предотвращающих воздействие на работающих вредных производственных факторов называется производственной санитарией.

Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий СН 245 – 71, ГОСТ 12.1.005 – 88 установлены требования к охране здоровья и жизни трудящихся.

Соблюдение норм и требований производственной санитарии и, в первую очередь, предельно допустимых концентраций ядовитых газов, пыли, норм температуры, влажности воздушной среды напряжённости электромагнитных полей, уровней шума и вибрации, вентиляции производственных помещений является важнейшим фактором снижения утомляемости, повышения стойкости организма работников к различным заболеваниям и, в конечном результате, снижения потерь рабочего времени по болезням и повышению производительности труда.

Условия труда  это совокупность факторов производственной среды, оказывающих влияние на здоровье и работоспособность человека в процессе труда. Факторы, характеризующие условия труда, условно можно разделить на четыре группы:

• организационно-правовые;

• социально-психологические;

• техническая оснащенность труда;

• санитарно-гигиенические условия.

Наибольшее влияние на организм рабочего оказывает среда, в которой он работает. Одним из важнейших показателей, характеризующих воздух рабочей зоны, являются метеорологические условия, включающие температуру воздуха, относительную влажность и скорость движения воздуха. Человек быстрее всего реагирует на изменение именно этих параметров окружающей среды. Поэтому одним из основных требований производственной санитарии является обеспечение на рабочем месте благоприятных метеорологических условий. Неблагоприятный метеорологический режим ведет к развитию простудных заболеваний, нарушению терморегуляции и ослаблению организма.

6.1.1. Краткий анализ условий труда в лаборатории.

Данная химическая лаборатория предназначена для научно-исследовательских работ.

Лаборатория оборудована специальными химическими столами и вытяжными шкафами. Размеры лаборатории: а = 6 м, в = 2,5 м, с = 4,5 м.

Освещение в лаборатории комбинированное. Кроме общего освещения в вытяжных шкафах предусмотрено местное освещение люминесцентными лампами. Так же присутствует естественное освещение из окна. Размеры окна: ширина = 1,5 м; высота = 2 м. Искусственное освещение осуществляется люминесцентными лампами типа ЛДЦ – 80.

Лаборатория оснащена вытяжными шкафами с принудительной вентиляцией.

В данной лаборатории проводилась научно – исследовательская работа с применением целлюлозы и различных химических соединений: проистол, мелопрет, катионный крахмал, деаэратор. Упомянутые вещества не оказывают токсичного, раздражающего, аллергического и мутагенного воздействия.

Лаборатория относится к пожароопасным помещениям категории «В», класс пожароопасности по ПЭУ – П -  класс.

Класс взрывоопасности по ПЭУ – не взрывоопасно.

По условиям окружающей среды  с нормальной средой.

По степени опасности поражения электрическим током – без повышенной опасности.

Приборы и аппараты, применяемые в лаборатории, технически совершенны и практически не производят никакого шума и вибраций, поэтому применение средств индивидуальной защиты от шума и вибраций - нецелесообразно.

В лаборатории, где проводились исследования, уровень шума не превышал максимально допустимого значения; метеорологические условия составляли:

Температура, С	22
Влажность, %	47
Скорость движения воздуха, м/с	0,1

6.1.2.Мероприятия по производственной санитарии

В соответствии с СН 245 – 71 работа в лаборатории относится к категории «А» (лёгкая работа). Затраты энергии при такой работе составляют до 150 кКал/ч. Помещение лаборатории характеризуется незначительным избытком явного тепла (20 ккал). Для поддержания микроклимата в указанных приделах лаборатория оборудована общей приточно-вытяжной вентиляцией и местными отсосами из пропиточных установок и сушильных установок.

Скорость движения воздуха в рабочем проёме местного вытяжного устройства должна быть 0,3  0,7 м/сек в зависимости от количества и степени нагрева вредного вещества. Отсасываемый из помещения воздух должен компенсироваться притоком наружного воздуха, очищенного от пыли, а в зимнее время  подогретого.

Ниже приведены оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха:

Шум. В соответствие ГОСТ 12.1.003.-83 максимально допустимый уровень шума в помещениях лабораторий для проведения экспериментальных работ не должен превышать 80 дБ.

Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами в Гц не должны превышать:

6.2. Техника безопасности.

Техника безопасности – система организационных и технических мероприятий и средств, предотвращающих воздействие на работающих опасных производственных факторов.

6.2.1. Общие требования безопасности в химической лаборатории.

Химическая лаборатория должна быть расположена в помещении с естественным освещением, отоплением, водопроводом и канализацией.

С целью обеспечения безопасной работы в химической лаборатории, принято, что во время проведения исследовательских работ в лаборатории должно находиться не менее 2-х сотрудников.

Каждый сотрудник должен твердо знать:

• свойства имеющихся в лаборатории химических реактивов, технических продуктов, синтезирующих веществ, а также веществ, поступающих в лабораторию для анализа, особенно их токсичность, огнеопасность и взрывоопасность;

• опасные моменты при проведении в лаборатории работ и методы их предупреждения;

• профессиональные опасности данной работы и методы борьбы с ними;

• меры первой доврачебной помощи при отравлениях, ожогах, поражениях электротоком или при других несчастных случаях.

Все работы в химической лаборатории должны проводиться при исправном электрооборудовании, арматуры, электропроводки и заземляющих устройств. Все работы, связанные с выделением вредных паров или газов должны проводиться в вытяжных шкафах. Производить работы при неисправной или не включенной вентиляции запрещается. Реактивы в лабораториях должны храниться в таре с четкой надписью, указывающей ее содержание. Запрещается использование стеклянной посуды, имеющей трещины, надколы, острые и отбитые края.

Необходимо строго соблюдать все меры предосторожности при работе с ядовитыми, взрывоопасными и огнеопасными веществами.

На рабочем месте нужно иметь только самое необходимое, не создавая лишних запасов.

Помещение и оборудование должны содержаться в чистоте; уборка помещения, протирка оборудования производятся не реже 1 раза в день.

Экономно относиться к реактивам, материалам, посуде; бережно относиться к оборудованию.

В лабораториях должны быть общие инструкции по охране труда и специальные инструкции по видам работ.

Перед началом работы сотрудник должен:

• надеть спецодежду и привести ее в порядок;

• проверить состояние рабочего места и его чистоту: исправность освещения, электропроводки, заземляющего устройства;

• к работе приступать только после устранения всех обнаруженных неисправностей;

• приточно-вытяжная вентиляция включается в лаборатории ответственным за ее эксплуатацию лицом за 30 минут до начала проведения исследований.

Работающие в лаборатории должны знать и соблюдать правила обращения с реактивами. Необходимо знать основные свойства применяемых ими реактивов, особенно степень ядовитости и способность к образованию взрывоопасных смесей с другими реактивами. Просыпавшийся на стол реактив (неизбежно при этом загрязняющийся), нельзя ссыпать обратно в ту же банку, где он храниться. Постоянная забота о сохранении чистоты реактивов  самое главное правило при работе с ними. Если рассыпан твёрдый реактив, его следует осторожно собрать в отдельную склянку и применять только для неответственных работ. Брать реактивы из банки нужно при помощи фарфоровой ложки, фарфорового шпателя или пересыпать при помощи воронки. При перемешивании жидкостей нужно обязательно пользоваться воронками. При отвешивании сухих реактивов нельзя насыпать их прямо на чашку весов, т.к. при этом возможны порча весов, а также загрязнение реактива. Реактивы следует расходовать экономно, для работы брать такое количество, которое действительно необходимо. Реактивы, изменяющиеся от действия света, следует хранить только в тёмных склянках.

Нельзя выливать в раковину крепкие растворы кислот, щелочей, ртутных солей, металлическую ртуть, эфир, бензин, хлороформ. При выливании в раковину кислот нужно одновременно пускать сильную струю воды.

Запрещается выбрасывать в раковину целлюлозную массу, кусочки металлического натрия и калия, углеродистого и фосфористого кальция; хранить и принимать пищу в лаборатории, где работают с ядовитыми веществами, не допускается.

6.2.2. Мероприятия по технике безопасности

При работе с электроприборами существует опасность поражения электрическим током, поэтому предусмотрена надёжная изоляция проводов путём прокладки их в керамических трубах. Дотрагиваться до проводов мокрыми руками категорически запрещено.

Для нормальной работы необходимо удобное рабочее место, чем является рабочий стол с размером поверхности 1500 х 800 мм и высотой 1000 мм. Оптимальный вид стула для работы в лаборатории  стул круглый с вращающимся сидением и регулируемой высотой сиденья. Поверхность стола и стула должны быть стойкими к воздействию щелочей и кислот.

Каждый работник лаборатории должен быть снабжён халатом, перчатками, полотенцем и мылом.

Уходя из лаборатории надо убедиться, что все краны закрыты. Выключить рубильник и только тогда покинуть лабораторию.

Так как в лаборатории имеются химические вещества, то для них отведено специальное место.

6.3. Пожарная безопасность в химической лаборатории.

В химической лаборатории, в которой проводятся исследовательские работы, сотрудники должны постоянно поддерживать чистоту в помещениях и на рабочих местах, следить за исправностью электрических приборов, розеток.

Запрещается курить в необорудованных и не отведенных для этого местах, а также непосредственно на рабочих местах, в лабораториях и других помещениях; накапливать отходы бумаги, тряпья и другие легковоспламеняющиеся материалы.

Также запрещается пользоваться электропроводкой с нарушенной изоляцией, применять «жучки» вместо стандартных предохранителей, допускать перегрузки электросети; использовать электрооборудование не по прямому назначению; загромождать пожарные выходы, коридоры, лестничные клетки, проходы между оборудованием к местам хранения противопожарного инвентаря.

Большую пожарную опасность представляют неисправные электронагревательные приборы. Пользование ими запрещено. Нельзя оставлять зажжённые горелки и включенные электронагревательные приборы без присмотра. Перед уходом даже на короткое время источник нагрева должен быть выключен.

Пожар в химической лаборатории иногда возникает из-за неправильного хранения несовместимых веществ (азотной кислоты с глицерином, спиртом, серной кислоты со скипидаром, бензином и спиртом и т.д.).

Сотрудники лаборатории должны помнить, что необходимо:

• по окончании работ обесточить электросеть и закрыть помещение на замок;

• подержать в исправности и постоянной готовности первичные средства пожаротушения (огнетушители, песок, пожарные краны и др.) и уметь ими пользоваться.

Для предотвращения возможных случаев пожара или взрыва работающие должны соблюдать следующие основные требования:

• не применять открытый огонь в пожароопасных местах;

• курить только в специально отведенных местах;

• содержать рабочее место в чистоте, своевременно производить уборку рабочего места, не допускать скопления пыли.

Каждый сотрудник химической лаборатории должен знать:

• правила противопожарной безопасности и выполнять их;

• места расположения извещательной электрической пожарной сигнализации, огнетушителей и средств личной защиты, следить за их наличием, исправностью и уметь ими пользоваться;

• номера пожарной части, газоспасательной станции, аварийной службы, медицинской службы институтов;

При возникновении пожара (загорания) сотрудники, обнаружившие его, обязаны:

• немедленно сообщить об этом в пожарную охрану по телефону 9 – 01;

• обесточить лабораторию (снять напряжение с распределительного щита);

• доложить о пожаре (загорании) заведующему кафедрой и руководству института;

• до прибытия пожарной охраны приступить к тушению пожара имеющимися средствами и ликвидации людей и имущества в соответствии с обязанностями по пожарному расчёту;

По прибытии пожарного подразделения выполнять указания руководителя тушения пожара

Сотрудники лаборатории обязательно должны знать правила оказания первой медицинской помощи пострадавшим при несчастных случаях.

Лаборатория, в которой проводились исследования, снабжена огнетушителем, автоматической пожарной сигнализацией не оборудована.

Лаборатория относится к пожароопасным помещениям категории «В», класс пожароопасности по ПЭУ – П -  класс.

Класс взрывоопасности по ПЭУ – не взрывоопасно.

По условиям окружающей среды  с нормальной средой.

По степени опасности поражения электрическим током  без повышенной опасности.

В лаборатории имеются огнетушители ОХП, песок, одеяло. В корпусах установлены пожарные краны и шланги.

6.4. Расчет искусственного освещения от люминесцентных (газоразрядных) ламп

Правильно устроенное искусственное освещение позволяет повысить производительность труда на 20 – 25%, уменьшить утомление зрения. Правильно выбранные типы светильников, провода и способы проводки, выключатели позволяют исключить возможность пожаров и взрывов.

Исходные данные:

1.Наименование помещения – химическая лаборатория.

2. Размеры помещения, м: длина а = 6; ширина в = 2,5; высота с = 4,5.

3. Окраска стен – зеленая, потолка – белая.

4. Выделение пыли светлой, менее 5 мг/м³.

5. Выделение паров кислот и щелочей, а также газов, способных при соприкосновении с влагой образовывать слабые растворы кислот и щелочей, обладающих большой коррозирующей способностью, - да.

6. Поверхность, над которой нормируется освещенность, расположена на высоте 0,8 м от пола.

7. Плоскость, на которой нормируется освещенность, - горизонтальная.

8. Коэффициент отражения от рабочей поверхности Ррп = 10%

9. Характеристика зрительных работ: наименьший размер объекта различения - 0,5-0,7 мм; фон – средний; контраст – средний; точность – средняя.

10. Расстояние объекта от глаз работающего – 0,5 м.

11. Длительность непрерывного напряжения зрения 7 ч.

12. Повышенной опасности травматизма – нет.

13. Пребывание людей – постоянное.

14. Оборудование требует постоянного обслуживания.

15. Источник света – люминесцентные лампы.

16. Высота подвески светильников h_св = 3,7 м.

17. Напряжение сети Uc = 220 В.

18. Рабочие места у стен присутствуют.

Расчет искусственного освещения:

1. Определяем расположение светильников. Принимаем наиболее распространенное – параллельными рядами.

2. Определяем характеристику окружающей среды в помещении:

а) по пожарной безопасности по ПУЭ оно относится к пожароопасным зонам класса П- II ;

б) по взрывоопасности по ПУЭ – не взрывоопасно.

3. Определяем степень опасности поражения электрическим током по ПУЭ, по степени опасности поражения электрическим током по ПУЭ относим к помещениям без повышенной опасности.

4. Определяем характеристику окружающей среды, по характеру окружающей среды помещение может быть отнесено к помещениям с химически активной средой.

5. Определяем тип светильников по зонам класса взрыво- и пожароопасности, принимаем тип светильников – ПВЛ.

6. По зонам класса П – II выбираем провода для осветительной сети и способ прокладки. Принимаем провода АТПРФ, АВРГ (в исключительных случаях АСРГ или АСРА) с открытой прокладкой по поверхности стен и потолка.

7. По размеру объекта различения 0,5-0,7 мм, фону среднему, контрасту среднему определяем разряд и подразряд работы. Выполняемая работа относится к разряду IY, подрязряду «в», минимальная освещенность от комбинированного освещения Емин.к. = 400 лк и общее освещение 200 лк.

8. Выбираем экономически выгодную схему освещения. Принимаем комбинированную.

9. Определяем потребную освещенность при комбинированном освещении газоразрядными лампами от светильников общего освещения Ео.к. = 150 лк, от местного освещения Ем.к. = 250 лк.

10. По выделяемой пыли светлой менее 5 мг/м³ определяем коэффициент запаса, Кз = 1,8.

11. По выбранному типу светильника ПВЛ определяем наиболее выгодное отношение v расстояния между светильниками Lсв к высоте подвески h_св и принимаем

v = Lсв/h_св = 1,4

12. По отношению v = 1,4 определяем расстояние между светильниками по ширине помещения:

Lсвш = v*h_св =1.4*3.7 = 5.18 м. Принимаем 5 метров.

Расстояние между светильниками по длине принимается в зависимости от длины корпуса светильника l_св и расстояния между корпусами светильников t. При длине корпуса 1,3 м принимаем t = 0,1 м:

Lсвд = l_св + t = 1,3+0,1 = 1,4 м.

13. Определяем расстояние от стены до первого ряда светильников. При наличии рабочих мест у стены – L1 = 0.3*Lсвш, а при отсутствии – L1 = 0.5*Lсвш. Для наших условий:

L1 = 0.3*Lсвш = 0,3*5 = 1,5 м.

14. Определяем расстояние между крайними рядами по ширине помещения:

L2 = в – 2*L1 = 2.5-2*1.5 = -0.5

т.к. расстояние между крайними рядами по ширине помещения получилось отрицательное, то в данной лаборатории нужно расположить один ряд светильников.

15. Определяем расстояние между крайними рядами по длине помещения:

L3 = a – 2*L1 = 6-2*1.5 = 3 м.

16. Определяем число рядов светильников, которые можно расположить между крайними рядами по длине помещения:

nсв.д. = L3/Lсвд – 1= 3/1,4-1 = 1.14.

Принимаем 1 ряд.

17. Общее число рядов светильников по длине составит:

nд.общ. = nсвд + 2 = 1+2 = 3 ряда

18. Определяем общее количество светильников в помещении:

nсв.общ = nш.общ.*nд.общ. = 3*1 = 3 светильника.

19. По цветовой отделке помещения определяем коэффициенты отражения от стен и потолка: Рст = 30%; Рп = 50%.

20. Определяем коэффициент z, учитывающий неравномерность освещения в зависимости от типа светильника и отношения v = 1.4. Принимаем z= 1.1.

21. Площадь пола освещаемого помещения составляет:

Sп = а*в = 6*2,5 = 15 м².

размерам помещения и высоте подвески светильников находим показатель помещения:

 = (а*в)/(h_св*(а+в)) = (6*2,5)/(3,7*(6+2,5)) = 0,22.

23. По показателю помещения, типу светильника и коэффициентам отражения от стен и потолка определяем коэффициент использования светового потока и принимаем nи = 0,23 Потребный световой поток одной лампы составит, лм:

Fл.расч=Е о.к * Кз * z *Sn /n св.общ * nл.св * nu

Fл.расч=150*1,8*1,1*15/2*3*0,23=3228,3

24. По потребному световому потоку определяем мощность лампы. Принимаем тип лампы ЛДЦ80 – 4 мощностью 80 Вт и световым потоком Fл.табл. = 3560 лм.

25. Определяем действительную освещенность, лк:

Едейств.=Fл.табл*nсв.общ*nл.св.*nu/ Kз*z*Sn

Eдейств.=3560*2*3*0,23/1,8*1,1*15=165

26. Определяем величину освещенности, которую должны обеспечить светильники местного освещения:

Ем.к. = Емин.к – Едейств. = 400-165 = 235 лк.

Как уже отмечалось выше, данная лаборатория оснащена люминесцентными лампами типа ЛДЦ – 80. Однако количество ламп не соотстует рассчитанному. Для того чтобы не менять число ламп, заменим существующие другими. Рассчитаем потребный световой поток, если количество светильников равно 2.

Fл.расч=Е о.к * Кз * z *Sn /n св.общ * nл.св * nu

Fл.расч=150*1,8*1,1*15/2*2*0,23=4842

По потребному световому потоку из таблицы принимаем тип лампы ЛБ80-4 мощностью 80 Вт и световым потоком Fл.табл.=5220 лм.

Желательно в данной лаборатории заменить существующие люминесцентные лампы ЛДЦ – 80 на рассчитанные в данном разделе лампы ЛБ80 – 4 с большим световым потоком.

Схема расположения светильников в лаборатории.

Проведенный анализ условий труда и предложенные мероприятия по охране труда способствуют повышению производительности труда и улучшению условий работы.

5. Технологическая часть.

5.1. Возможность изменения технологической схемы производства бумаги в связи с добавлением в композицию катионного крахмала и деаэратора.

При производстве бумаги с различными потребительскими свойствами и показателями качества используются различные технологические режимы производства.

В данной научно – исследовательской работе базовым вариантом является процесс производства офсетной бумаги №1 на АО «Советский ЦБЗ» с содержанием наполнителя 10 – 12%. Производство данной бумаги осуществляется на БДМ №4.

В работе предлагается в композицию бумаги ввести функциональные химические вещества: катионный крахмал и деаэратор. Добавка катионного крахмала способствует улучшению потребительских свойств офсетной бумаги: сопротивление раздиранию, истиранию, выщипыванию; уменьшается пылимость. Благодаря тому, что катионный крахмал способствует удержанию минерального наполнителя и мелкого волокна, появилась возможность увеличить содержание наполнителя в композиции бумаги на 2-3 %, тем самым сэкономить волокнистые полуфабрикаты. Применение деаэратора снижает пенообразование, удаляет из бумажной массы воздух, что приводит к улучшению просвета бумаги и снижению риска появления таких дефектов как воздушные пузыри и пятна.

Катионный крахмал вводят в машинный бассейн, его расход составляет 0,75-1 % от массы волокна. Деаэратор добавляют в подсеточную воду, которая поступает в смесительный насос для разбавления бумажной массы. По экспериментальным данным, полученные в данной работе, наиболее оптимальный расход деаэратора составляет 40 г на 1т бумаги.

5.2. Технологическая схема производства офсетной бумаги на АО «Советский ЦБЗ»

Согласно технологической схеме производства офсетной бумаги поступающие исходные волокнистые материалы (хвойная и лиственная целлюлоза) вначале попадают в гидроразбиватели, где происходит роспуск целлюлозы на отдельные волокна. В производстве бумаги на АО «Советский ЦБЗ» используются гидроразбиватели марки ГРВ – 0 и ГРВ – 04.

После гидроразбивателей каждый поток направляется в свой приемный бассейн, а оттуда в промежуточные бассейны.

Из промежуточных бассейнов масса направляется на размол через очистители высокой концентрации ОМ – 01 и ОМ – 02. Размол массы после промежуточных бассейнов производится на дисковых сдвоенных мельницах марки МДС – ОО для потока хвойной целлюлозы и МДС – 02 для потока лиственной целлюлозы.

После размола на дисковых мельницах потоки массы направляются в смесительный бассейн, где перемешиваются между собой. В этот же бассейн добавляется рассчитанное количество канифольного клея – пасты. Так же в смесительный бассейн поступают предварительно распущенный и размолотый производственный брак с каландра и наката, перелив массы из бака постоянного уровня и масса со второй ступени центриклинеров.

Масса из смесительного бассейна поступает далее в машинный бассейн, куда добавляется катионный крахмал и сернокислый алюминий для осаждения и коагулирования на волокнах целлюлозы содержащихся в массе клеевых частиц канифольного клея.

Из машинного бассейна масса поступает на домол в смесительный насос через бак постоянного уровня. В смесительном насосе в массу добавляется каолин для придания бумаги необходимой белизны и регистровая вода 1 – ого разбора, содержащая деаэратор. Такое использование оборотной воды позволяет снизить расход свежей воды, а также уменьшить потери в сток (промои) волокон и наполнителей, так как оборотная вода содержит некоторое количество мелких волокон и частиц наполнителя, прошедших с водой через сетку.

После смесительного насоса масса поступает на вихревые конические очистители с деаэрацией массы. В данной схеме производства бумаги используются очистители марки УВК – 90 – 01.

Далее масса с очистителей 1 – ой ступени проходит вертикальную сортировку и поступает на бумагоделательную машину, где происходит формование бумажного полотна, сопровождаемое его обезвоживанием на сетке, прессование, сушка, охлаждение полотна, увлажнение перед машинным каландрированием и намотка в рулон на накате.

Готовую бумагу разрезают на рулоны или листы. Последние считают и упаковывают. Рулоны также упаковывают и отправляют на склад.

Избыток оборотной воды направляют в улавливающую аппаратуру, откуда уловленные волокна используются в производстве, а осветленная вода идет в сток. Бумажный брак с бумагоделательной машины, суперкаландра, станков, разрезающих бумагу, её перематывающих и упаковывающих, идет на переработку и в виде волокнистой массы используется для изготовления бумаги.

5. Экономическая часть.

Глубокий кризис в котором находится отечественная ЦБП, как и вся российская промышленность, при всех его тяготах и невзгодах все же состояние временное. Решение практических задач выживания и выхода из кризиса не может в этой связи и не должно заслонить определение целей стратегического характера и путей их достижения.

ЦБП принадлежит к немногим отраслям мировой промышленности, отличающимся устойчивым развитием. Среднегодовой прирост ее продукции не подвержен конъюнктурным воздействиям и определяется жесткой связью этого прироста с численностью населения, уровнем его культуры и образования, объемами торговли, темпами и масштабом научно-технического прогресса. Достижения в области электронных средств информации не уменьшили, а пожалуй, скорее увеличили потребность в бумаге, картоне и изделиях из них.

Целями стратегического характера до недавнего времени считали лишь количественный рост. Все прогнозы в конечном счете сводились к тому, сколько миллионов тонн бумаги, картона; целлюлозы, древесной массы будет изготовлено в N-ском году и сколько килограмм придется на душу населения. Между тем, в условиях рыночной экономики, такими целыми являются:

1. Расширение и изменение структуры ассортимента продукции, обеспечивающие удовлетворение многообразных потребностей народного хозяйства в XXI веке, высокое качество и экологическая чистота продукции.

2. Достижение эффективной структуры издержек производства, обеспечивающей возможность планомерного обновления оборудования и технологий за счет собственных инвестиций.

3. Повышение производительности труда.

4. Увеличение объемов производства, уровня концентрации и специализации.

Достижение стратегических целей невозможно без целеустремленного научно-технического развития. Все его направления в большей или меньшей степени их обеспечивают. Однако реализация этих направлений требует не только средств, но и немалого времени, необходимых организационных условий и усилий.

Весьма характерно и представительно выглядит в этом отношении создание новой технологии получения массовых видов бумаги с применением в их композиции функциональных химических соединений.

Экономический эффект от применения в композиции бумаги химикатов огромен. Прежде всего он выражается в снижении производственных затрат за счет:

• сокращения расхода волокнистых полуфабрикатов;

• возможности увеличения количества вводимого наполнителя;

• уменьшения расхода электроэнергии на размол;

• ускорения обезвоживания на сетке, а, следовательно, увеличения скорости бумагоделательной машины;

• снижения содержания в производственной воде мелких волокон и наполнителя способствует ее лучшей очистке при меньших затратах.

Кроме того, улучшается качество получаемой бумаги:

-равномерность структуры бумажного листа;

-прочностные и механические показатели;

-печатные свойства и другие.

В качестве примера экономической целесообразности добавок функциональных химических веществ, рассмотрим производство офсетной бумаги традиционной композиции и с применением катионного крахмала и деаэратора. Аналогичная бумага на Архангельском ЦБК в количестве 50 тыс. тонн в год.

Согласно ГОСТ 9094 бумага офсетная имеет следующие характеристики:

• масса 1м ² - 120 г;

• плотность 0,85-0,95 г/см ³;

• степень проклейки 1,2-1,8 мм;

• массовая доля золы 10-14 %;

• состав по волокну-70 % лиственной сульфатной беленой целлюлозы и 30 % хвойной сульфатной беленой целлюлозы.

5.1. Рассчитаем нормы расхода волокнистых полуфабрикатов и химикатов на 1т офсетной бумаги традиционной композиции.

Исходными данными являются технические показатели установленные ГОСТ.

1. Определяем содержание абсолютно сухого вещества в 1т бумаги по формуле: Рас=1000-1000*В/100 ; где В - влажность бумаги.

При В=6 %, Рас=1000-1000*6/100=940 кг

2. Содержание наполнителя зависит от зольности бумаги и определяется следующим образом: Н=Рас*(Зб-Зв)/100-Сн, где

Зб- зольность бумаги;

Зв- зольность волокна;

Сн- потери массы наполнителя при прокаливании;

В качестве наполнителя используем каолин, поэтому Сн=12 %, Зб=14 %

Н=940*(14-1)/100-12=138,86 кг

3. Для проклейки бумаги на предприятиях используют готовый дисперсионный клей с содержанием свободной смолы 80 %. Расход такого клея (по сухому веществу) составляет 5 кг/т бумаги, при этом степень проклейки составляет 1,3-1,5 мм.

4. Содержание абсолютно сухих волокнистых материалов в 1т бумаги составит: Вм = Рас-(Н+К)=940-(138,86+5)=796,14 кг

5. Рассчитываем общую норму расхода ВПФ при стандартной влажности-12 % на получение 1т бумаги: Ввс=Вм*100/0,88(100-П), где П- потери волокна с промоями

Ввс=796,14*100/0,88(100-5)=952 кг

В композиции офсетной бумаги 70 % составляет лиственная целлюлоза и 30 % хвойная. Поэтому находим весовое содержание соответствующих ВПФ в 1т бумаги:

Вл=952*0,7=666,4 кг

Вхв=952*0,3=285,6 кг

6. Реальный расход наполнителя устанавливается в соответствии с его удерживаемостью в бумаге. Обычно степень удерживаемости каолина составляет 50 %. Следовательно, расход абсолютно сухого наполнителя рассчитывается по формуле: Нас=Н/У*100=138,86/50*100=277,72 кг

7. В пересчете на стандартную влажность(15 %) норма расхода каолина равна:

Нв=Нас*100/100-15=277,72*100/100-15=327 кг

8. Норма расхода глинозема, необходимого для осаждения канифоли, составляет 10 кг/т.

В последнее время в традиционную композицию офсетной бумаги стали добавлять катионный крахмал в количестве 0,75-1 % от массы волокна и деаэратор в расчете 40 г/ 1т бумаги.

Введение катионного крахмала способствует лучшему удержанию наполнителя и мелкого волокна. Это позволяет увеличить процентное содержание наполнителя на 2-3 % и сократить расход волокна.

1. Тогда количество вводимого каолина составит: Н=940(16-1)/(100-12)=160 кг

2. Расход канифоли остается неизменным.

3. Следовательно, содержание волокнистых материалов в 1т бумаги равно:

Вм=Рас-(Н+К)=940-(160+5)=775 кг

С учетом стандартной влажности целлюлозы расход ВПФ составит: Ввс=Вм*100/0,88(100-П),

При добавлении в композицию катионного крахмала уменьшаются потери волокна с промоями, П=1 % , значит, Ввс=775*100/0,88(100-1)=889,6 кг

4) Т.к. офсетная бумаг состоит на 70 % из лиственной целлюлозы и на 30 % из хвойной, то Вл=Ввс*0,7=889,6*0,7=622,7 кг

Вхв=Ввс*0,3=889,6*0,3=266,9 кг

5) Реальный расход наполнителя снизится, т.к. удержание его в бумажной массе возрастет и составит 75 %: Нас=160/75*100 %=213 кг

А с учетом 15 %-ной влажности, потребность в каолине на 1т бумаги:

Нв=213/85*100 %=250,5 кг

На основании рассчитанных норм расхода волокнистых материалов и химикатов на производство 1 тонны офсетной бумаги, составим 2 сравнительные таблицы материального обеспечения бумажного производства на год.

Материальное обеспечение производства офсетной бумаги традиционной композиции на год.

Итого: 796,37

Материальное обеспечение производства офсетной бумаги с использованием в композиции химических добавок.

Итого: 756,55

Полученные результаты говорят о том, что при использовании функциональных химических веществ в композиции офсетной бумаги, снижаются материальные затраты, а, значит, и себестоимость готовой продукции.

Помимо этого повышаются качественные показатели:

5.2. Расчет себестоимости, прибыли и рентабельности производства офсетной бумаги традиционной композиции и с добавками химикатов.

Себестоимость включает в себя все затраты, возникающие при производстве и реализации продукции. При производстве офсетной бумаги двумя вышеописанными способами различия в структуре затрат существуют только по статье «Сырье и материалы». Поэтому рассчитаем себестоимость продукции лишь, учитывая материальные затраты. Тогда себестоимость бумаги традиционной композиции составит:

С=Зм/V, где Зм- материальные затраты

V- объем производства за год

С=796 370 000/50 000=15 927 руб.

А себестоимость бумаги с функциональными химическими добавками:

С=756 550 000/50 000=15 131 руб.

Рентабельность представляет собой разницу между объемом реализуемой продукции в оптовых ценах и полной себестоимостью этой продукции. Пусть объем реализуемой продукции равен объему товарной продукции, которая определяется следующим образом:

ТП= V* Ц=50 000*25 000=1 250 млн.руб.

Отсюда прибыль от реализации офсетной бумаги традиционной композиции составит:

П=РП-С=1 250-796,37=453,63 млн.руб

А от реализации бумаги с химическими добавками:

П=1 250-756,55=493,45 млн.руб.

Следовательно, рентабельность, характеризующая долю прибыли, полученной в результате реализации продукции на каждый рубль затрат на производство, соответственно будет равна:

Р=П/С*100 %=453,53/796,37*100 %=60 %- для традиционной бумаги

Р=493,45/756,55*100 %=65 %- для бумаги с химическими добавками.

Таблица сопоставления показателей эффективности производства офсетной бумаги с использованием новой технологии.

Данная научно-исследовательская работа была направлена на изучение функциональных химических веществ, добавляемых в композицию бумаги с целью улучшения ее свойств. Зная, определенные закономерности их применения, в будущем появиться возможность совершенствовать технологию производства печатных видов бумаги. Однако улучшается не только качество продукции, но и, как показывает расчет, снижаются затраты на ее производство. А, следовательно, увеличивается прибыль, которая может быть направлена на расширение производства и на повышение заработной платы рабочего персонала.

В заключении следует отметить, что подобная научно-исследовательская работа находится в начальном состоянии и будет продолжена. Поэтому цифры, полученные в данном расчете, в дальнейшем могут быть уточнены и дополнены.