СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БУМАЖНОЙ МАССЫ
METHOD FOR PRODUCTION OF PAPER MASS

Способ приготовления бумажной массы предназначен для использования в целлюлозно-бумажной промышленности при изготовлении бумаги с высоким содержанием неорганических наполнителей, в частности типографской бумаги.
2
Известен способ приготовления волокнистой массы для выработки бумаги различного назначения (US, 7264689, МКИ D21H 17/70, опубл. 04.09.2007 г.). В этом способе волокнистую массу с концентрацией волокна 15-30%, содержащую оксид или гидроксид кальция, подают под давлением в камеру герметизированного реактора. В камеру под давлением подают также диоксид углерода. Обработку массы газом проводят при температуре 10-80°C и давлении 0,35-10,5 кг/см при постоянном перемешивании расположенным внутри камеры шнековым транспортером. Недостатком способа является необходимость использования повышенных температур и давлений и, соответственно, сложных систем герметизации реактора. Кроме того, в описании способа нет упоминания об использовании при приготовлении волокнистой массы с оксидом или гидроксидом кальция оборотной воды бумагоделательной машины (БДМ) и обработке именно такой смеси диоксидом углерода. Соответственно, нет упоминания и о возможности использования полностью замкнутого цикла оборотной воды на БДМ.
3
3
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ производства беленой механической бумажной массы на основе целлюлозных волокон, предпочтительно химикотермомеханической массы (RU, №2309912, D21Н 11/18, опубл. 27.10.2007 г.). Способ включает формирование гомогенной водной дисперсии путем перемешивания беленой механической волокнистой массы с добавленным в нее гидроксидом кальция, подачу в дисперсию диоксида углерода при перемешивании до полного преобразования гидроксида кальция в карбонат кальция. В результате получают бумажную массу с содержанием химически осажденного мела 20-75% от общей массы ее сухих веществ. В процессе химического осаждении CaCO в волокнистой дисперсии частицы мела, осаждаясь на волокнах, закрепляются на них достаточно прочно, вероятно, благодаря дисперсионным силам стяжения (силам Ван-дер Ваальса). Факт осаждения на волокнах и закрепления частиц CaCO подтверждается приведенными в описании фотографиями таких модифицированных мелом волокон. Однако в описании способа нет сведений об использовании в процессе приготовления бумажной массы оборотной воды БДМ и обработки полученной смеси диоксидом углерода. Соответственно, нет оснований предположить возможность использования в производстве бумаги из массы, изготовленной по прототипу, полностью замкнутого цикла по оборотной воде БДМ.
Положительным результатом использования предлагаемого способа получения бумажной массы являются обеспечение возможности использования полностью замкнутого цикла водооборота на БДМ, а также повышения прочности производимой из массы бумаги.
Указанные результаты достигаются тем, что в способе получения бумажной массы, содержащей в качестве наполнителя карбонат кальция, включающем приготовление водной дисперсии целлюлозных волокон, добавление в нее гидроксида кальция в заданном соотношении с содержанием в дисперсии целлюлозных волокон, последующую обработку дисперсии диоксидом углерода при перемешивании до полного преобразования гидроксида кальция в карбонат кальция с получением бумажной массы, содержащей целлюлозные волокна, модифицированные химически осажденным мелом, согласно изобретению гидроксид кальция добавляют в дисперсию в количестве, в пересчете на карбонат кальция, равном заданному процентному содержанию его в сухих веществах бумаги, при этом дисперсию целлюлозных волокон готовят с добавлением оборотной воды бумагоделательной машины, обработку дисперсии диоксидом углерода проводят после добавления в нее оборотной воды и получают бумажную массу при следующем содержании в ней компонентов, без учета добавляемых в нее с оборотной водой твердых веществ, %:
целлюлозное волокно
70-80
химически осажденный мел
20-30
В качестве целлюлозного волокна можно использовать сульфитную, сульфатную целлюлозу, их смесь, беленую древесную массу высокого выхода на основе фибриллированных волокон, содержащих целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.
3
2
3
Способ приготовления бумажной массы осуществляют следующим образом. Целлюлозное волокно распускают, размалывают до заданной степени помола, доводят концентрацию массы до 4-5% содержания волокон. В этих операциях в установившемся процессе изготовления бумаги используют оборотную воду. Гидроксид кальция в волокнистую массу целесообразно подавать на стадии размола целлюлозы. Его количество, в пересчете на CaCO, и с учетом массы волокна, равно заданному процентному содержанию мела в конечном продукте-бумаге. Затем смесь обрабатывают диоксидом углерода, например, барботированием его в объем волокнистой массы, до полного преобразования Ca(OH) в CaCO. Бумажную массу разбавляют до заданной концентрации твердых веществ. Получают массу при следующем содержании в ней компонентов без учета добавляемых в нее с оборотной водой твердых веществ, %:
целлюлозное волокно
70-80
химически осажденный мел
20-30
2
2
3
Проверку эффективности предлагаемого способа в лабораторном варианте осуществляют без добавления в бумажную массу каких-либо вспомогательных веществ. Целлюлозу распускают, размалывают до степени помола, например, 31 или 39°ШР, готовят из волокон дисперсии. Готовят также водные суспензии из заданных количеств измельченного Ca(OH). Порции суспензий и дисперсий смешивают в заданном соотношении, смеси обрабатывают диоксидом углерода путем его барботирования до полного преобразования Ca(OH) в CaCO и получают бумажные массы с заданным содержанием волокон и модифицирующим их химически осажденным мелом (ХОМ). Из навесок бумажных масс формуют на сетке №28 или на аппарате «Рапид» отливки. Концентрация подаваемой на отливку массы по сухим веществам 0,11-0,13%. Содержание целлюлозных волокон в навесках каждой серии испытаний одинаково. При получении отливок на сетке массу сначала обезвоживают под действием силы тяжести, затем под давлением до сухости отливки 20-23%. Отливки высушивают при 95-98°C и определяют содержание в них наполнителя. Фильтраты отстаивают до полного осветления. Осадки используют при моделировании возврата оборотной воды в процесс приготовления бумажной массы или высушивают для определения количества уноса компонентов массы в фильтрат при обезвоживании отливок и их состава. Эти же осадки от нескольких одинаковых отливок объединяют и используют при моделировании подачи оборотной воды в процессе приготовления массы для отливок на аппарате «Рапид».
В таблице приведены результаты испытания бумажных масс различного состава, включая массы по прототипу, т.е. полученные без использования при их приготовлении аналогов оборотной воды - осадков фильтратов (Пр.1 и 2), массу по прототипу, в которую добавлен аналог оборотной воды - осадок фильтрата от предыдущей отливки по Пр.2, но после обработки дисперсии диоксидом углерода (Пр.3), массы по предлагаемому способу, т.е. с добавлением осадков фильтратов от предыдущих отливок и последующей обработкой смеси диоксидом углерода, полученные с использованием целлюлозного волокна со степенью помола 31°ШР (Пр.4-9) и 39°ШР (Пр.10-13). В массах для отливок по Пр.1 и 2 подбирают такое содержание мела в их сухих веществах, которое обеспечивает его содержание в отливках ~20% (Пр.1) и 30% (Пр.2) от количества сухих веществ в каждой из них.
В таблице величины А и Б задают поставленными задачами, В, Г, Д и К определяют экспериментально, Е, Ж, И - расчетами. В испытаниях анализируют поведение фильтратов при их осветлении, вид, состав и массу фильтратов, жидких и высушенных осадков. Проводят испытания с окрашенными осадками.
На основании полученной информации, включая не указанную в таблице, можно сделать следующие выводы. Степень удержания отливками химически осажденного в волокнистой дисперсии мела при обезвоживании массы на сетке под действием силы тяжести и в аппарате «Рапид» с принудительным обезвоживанием при прочих равных условиях практически одинакова. Степень удержания повышается при увеличении степени помола целлюлозы. Состав и свойства жидких и высушенных осадков фильтратов в условиях всех примеров одинаков. Это мелкие волокна и фибриллы, модифицированные частицами карбоната кальция. Высушенный в тонком слое осадок имеет вид очень тонкой бумаги и обладает некоторой прочностью на разрыв. Растереть его в порошок не удается. В фильтратах по Пр.2 и 3, кроме модифицированных мелких волокон, обнаруживаются 7-12% от массы сухих веществ «свободных» частиц карбоната кальция. В следующих отливках, продолжающих ряд по Пр.2 и 3, степень удержания наполнителя в каждой отливке уменьшается, в фильтрат уносятся все более увеличивающиеся количества компонентов массы, и, соответственно, происходит неприемлемое увеличение их содержания в оборотной воде. Химическое осаждение мела в волокнистой дисперсии приводят к разволокнению целлюлозы и появлению дополнительного количества мелких модифицированных мелом волокон и фибрилл, активно взаимодействующих со всеми твердыми компонентами дисперсии.
3
Испытания с окрашенными осадками проводят следующим образом. В фильтраты по Пр.4 и 10 добавляют водный раствор органического красителя, который полностью осаждается на волокнах и частицах мела. Водная фаза фильтрата остается бесцветной. В соответствии с методикой исследования, эти окрашенные осадки добавляют в дисперсии для отливок по Пр.5 и 11 и обрабатывают их диоксидом углерода. Сделанные из этих навесок отливки окрашены, интенсивность окраски осадков их фильтратов резко снижена. Осадки фильтратов по Пр.7 и 13 окрашены еле заметно. Можно заключить, что состав фильтрата от каждой последующей отливки почти полностью обновляется. В процессе обработки гидроксида кальция диоксидом углерода образующиеся активные частицы CaCO взаимодействуют с волокнами целлюлозы как с новыми, так и с мелкими модифицированными волокнами, поступившими в новую навеску с оборотной водой. Можно полагать, что эти модифицированные мелкие волокна становятся еще более активными и не только хорошо удерживаются в отливке, но и добавляют прочность бумаге за счет появления новых связей между компонентами массы, благодаря которым в ней появляются пространственные образования типа кластеров, обладающих способностью образовывать при обезвоживании массы плотный фильтрующий слой.
В фильтрат вода уносит менее активные «новые» частицы, то есть вновь образованные мелкие модифицированные волокна. Соответственно, в отлаженном процессе производства бумаги в оборотную воду должен поступать фильтрат с БДМ с неизменяющимися составом и общей массой твердых веществ. Данные таблицы подтверждают этот механизм, благодаря которому обеспечивается возможность полностью замкнуть цикл по оборотной воде БДМ.
При использовании в процессе приготовления бумаги вспомогательных веществ часть их в растворенном виде попадает в оборотную воду. Они также удерживаются в бумаге в соответствии с описанным механизмом и поэтому общие закономерности формования бумаги и удерживания в ней компонентов массы не нарушаются.