Влияние циклов переработки макулатыры на длину волокон и качество бумаги и картона

УДК 676.266.2

С. Ю. Кожевников, И. Н. Ковернинский, А. В. Канарский

ВЛИЯНИЕ ЦИКЛОВ ПЕРЕРАБОТКИ МАКУЛАТЫРЫ НА ДЛИНУ ВОЛОКОН И КАЧЕСТВО БУМАГИ И КАРТОНА

Ключевые слова: макулатура, вторичное волокно, циклы использования, длина волокна, свойства бумаг, картон.

Установлено, что уменьшение длины волокна, превалирующе связано с количеством циклов переработки макулатуры. Показано, что с увеличением циклов переработки макулатуры снижается общая средневзвешенная длина волокна и повышается содержание фракций волокна с меньшей длиной. Это оказывает отрицательное влияние макулатурной массы на механическую прочность тарного картона.

Keywords: waste paper, recycled fiber, the use of cycles, the length of the fibers, the properties ofpaper, cardboard.

It is found that reducing the fiber length, the number associated with the prevailing wastepaper recycling cycles. It is shown that an increase in paper recycling cycles reduces the overall average length of the fibers and increases the fiber content of the fractions with at length. This has a negative effect on the wastepaper mechanical strength containerboard.

Актуальность

В последние десятилетие наблюдается значительный рост производства тароупаковочных видов бумажно-картонной продукции, примерно 5 - 7 % в год. Наиболее существенно развивается производство тарного картона, к которому относят материалы: бумагу для гофрирования (флютинг), картон для плоских слоев гофрированного картона (лайнер), гофрированный картон и изделия из него - гофрированная тара. Сырьем для производства этих видов материалов является как первичное, так и вторичное волокно из макулатуры, по объему потребления не уступающее первичному волокну [1]. Макулатурное волокно по отношению к первичному волокну, является его производным, так его получают из бумажно-картонной макулатуры различных марок и сортов [2]. Для производства тарного картона используется макулатура группы Б, марки МС-5Б. К ней относят отходы от производства и потребления тарного картона. Использование именно этой марки макулатуры обусловлено тем, что волокнистый полуфабрикат из макулатуры МС-5Б (макулатурное волокно) отличается наиболее высокими показателями механической прочности, что предопределят высокие механические свойства продукции.

Идеальный сбор макулатуры в реальности трудноосуществимый и в марку МС-5Б попадает много макулатуры других марок, которая по своим механическим свойствам существенно уступают МС-5Б. Физико-механические показатели макулатуры также снижаются при переработке. С каждым последующим циклом переработки, механические свойства и другие показатели качества макулатурного волокна снижаются. Рядом исследований установлено [3-5], что приемлемые механические свойства имеет волокно, прошедшее не более 6 - 7 циклов переработки. Однако, показатель «количество циклов переработки» на практике подсчитать невозможно. Очевидно, что надежным методом определения качества сырья остается входной контроль. При этом, главным критерием должно быть «качество макулатурной массы», которое характеризуют такие свойства, как степень помола массы, средневзвешенная

длина волокна, физико-механические показатели. Данные показатели не должны быть ниже установленного уровня, за пределами которого проблематично произвести тарный картон высоко востребованного рынком качества.

Целью данной работы - исследование свойств макулатурной массы из макулатуры марки МС-5Б для установления критерия «качество макулатурной массы», удовлетворяющего требованиям производства флютинга и тест-лайнера по ГОСТ Р 532062008 и ГОСТ Р 53207-2008 [6-7].

В работе [8] поступающую макулатуру предложено делить на 4 сорта - МС-5Б/1 сорт, МС-5Б/1-2 сорт, МС-5Б/2 сорт и МС-5Б/3 сорт и использовать в виде композиции со следующими количественными и качественными характеристиками:

МС-5Б/1 - содержание первичного волокна до 70%; средняя длина волокна, не мене 1,9 мм; рН, не более 8,5; зольность не более 5 %; удельное сопротивление разрыву не мене 1,3 кН;

МС-5Б/1-2 - содержание МС-5Б/1 от 30 до 70 %; средняя длина волокна не менее 1,7 мм; рН не более 8,5; зольность не более 7 %; удельное сопротивление разрыву не менее 1,15 кН;

МС-5Б/2 - содержание МС-5Б/1до 20%; средняя длина волокна не менее 1,5 мм; рН не более 8,5; зольность не более 7 %; удельное сопротивление разрыву не менее 0,95 кН; массовая доля загрязнений макулатуры (отходы) должна быть не >1,5 %.

В таблице 1 приведена сравнительная характеристика композиции макулатуры МС-5Б, применявшейся в производстве тарного картона ООО «Сухонский целлюлозно-бумажный комбинат» в 2008 и 2015 годах.

Для рассматриваемых исследований, проведенных в 2015 г., была отобрана промышленная макулатурная масса ООО «Сухонский целлюлозно-бумажный комбинат» (ранее ООО «Сухонский целлюлозно-бумажный завод»). Композиция массы и для сравнения композиция 2008 г. представлены в таблице 1.

Как видно в таблице 1, композиция макулатурного волокна 2015 г. разительно отличается от композиции семилетней давности. В 2008 г возможно

было составлять композицию из промышленной и бытовой макулатуры МС-5Б так, что значительная доля приходилась на высокие сорта 1 и 1/2 сорт (средняя длина волокна - 1В в пределах 1,9-1,7 мм) и только 20 % макулатуры было бытовой более низкого качества (1В, не менее 1,5 мм). В 2015 году композиция макулатуры на 90 % состояла из бытовой макулатуры (70 % сорта 2/1, 20 % сорта 2) и только 10 % промышленной макулатуры (сорт 1/2). Средняя длина волокна композиции находится в пределах 1,7-1,5. Сравнивая эти две композиции макулатуры, можно констатировать факт существенного снижения качества волокна по фундаментальному показателю 1В (1,7-1,5, против 1,9-1,7), а также отметить высокую загрязненность бытовой макулатуры не волокнистыми и гнилостными включениями.

Таблица 1 - Композиция макулатуры для производства массы

Макулатура МС-5Б, Композиция, %

сорт 2008 г. 2015 г.

1 70 0

Промышленная 1/2 30-70 10

1/3 - 20

Бытовая 2/1 - 70

2 20 -

Данные таблицы 1 подтверждают выше подчеркнутую тенденцию о постоянном ухудшении качества макулатурного сырья, и, как следствия, снижения механических свойств макулатурного волокна марки МС-5Б.

По принятой на комбинате технологии переработки макулатуры, полученная роспуском в гидро-разбивателе макулатурная масса после грубой очистки фракционируется на две фракции - длинноволокнистая фракция (ДВФ) и коротковолокнистая фракция в соотношении примерно 60% ДВФ/40% КВФ. Основные характеристики качества нефракционированной массы и фракций приводятся в табл. 2.

Таблица 2 - Показатели качества макулатурной массы

Вид массы Концентрация массы, % Степень помола, °ШР Средняя длина волокна, мм

Нефракциони рованная масса (НФМ) 2,06 22 1,53

Длинноволок нистая фракция (ДВФ) 2,06 18 1,66

Коротково-локнистая фракция (КВФ) 1,59 32 1,19

При анализе экспериментальных данных таблицы 2 видно, что среднеарифметические величины 1В

исследуемой композиции практически совпадают с 1В макулатуры МС-5Б сортов 1/2 и 2, установленных для входного контроля комбинатом еще в 2008 году. При равной концентрации массы, степень помола и средняя длина волокна показывают, что масса реально фракционируется на две различные фракции. Средняя длина волокна ДВФ 1,66 мм, т.е. превышает среднюю длину волокна НФМ и, тем более значительно выше средней длины волокна КВФ. Также, степень помола подтверждает хороший эффект фракционирования. Для НФМ она 22 °ШР, для ДВФ 18 °ШР и для КВФ -32 °ШР.

Такое разделение массы позволяет не подвергать размолу КВФ, а размалывать только ДВФ, примерно до значений помола КВФ. В этом заключается совершенствование технологии, обеспечивающее экономию электроэнергии на размол массы и позволяющую проводить более эффективную раздельную обработку массы, например, химическими вспомогательными веществами (ХВВ) [9,10]. Полученные величины помола НФМ, ДВФ и КВФ, подтверждают факт низкого качества макулатурной массы по фундаментальному показателю средняя длина и волокна.

Дальнейшие исследования были направлены на установление физико-механических показателей лабораторных образцов бумаги из макулатурной массы. Из 3-х видов макулатурной массы изготовляли стандартные образцы отливок массой 125 г/м2, без добавления каких-либо химических вспомогательных веществ (ХВВ). НФМ размалывалась до 33 0ШР, ДВФ размалывалась до 31 0ШР, КВФ дополнительно не размалывалась, т. к. ее степень помола ее в производстве был 32 0ШР. Результаты исследований приведены в таблице 3. Показатели механической прочности являются средними арифметическими величинами 8 измерений.

Таблица 3 - Физико-механические показатели макулатурной массы для производства флютин-га и тест-лайнера

Вид массы Прочность при Абсолютное со-

растяжении, кН/м противление про-давливанию, кПа

НФМ 4,8 439

ДВФ 4,8 357

КВФ 4,9 465

Анализируя данные таблицы 3, можно видеть, что прочность при растяжении (показатель аналогичный показателю «удельное сопротивление разрыву») образцов находится примерно на одинаковом уровне, но значительно уступает требованиям ГОСТ Р 532062008 на бумагу к этому показателю - 4,8-4,9, против 5,5 кН/м для низшей марки Б-3. Наоборот, абсолютное сопротивление продавливанию значительно превышает требования к высшей марке Б-0, не менее 320 кПа, а реально получены значения в пределах 357-469 кПа. Если сопоставить полученные данные с требованиями к механическим показателям ГОСТ Р 53207-2008 на картон (тест-лайнер), то аб-

солютное сопротивление продавливанию для КВФ, величиной 465 кПа, соответствует картону марки К-1 (460 кПа), массой 125 г/м2.

Неоднозначные результаты по физико-механическим показателям свидетельствуют о заметном влиянии качества макулатурной массы, в данном случае, длины волокна, на отдельные показатели бумаги (картона). Поэтому, данный факт должен учитываться при выработке различных по назначению, а, следовательно, по свойствам конструкционных материалов гофрированного картона -флютинга и тест-лайнера.

Для сравнения лабораторных и промышленных образцов, анализу подвергались образцы картона марки К-2 массой 125 и 140 г/м2 машинного производства. Параметры НФМ были аналлогичными -масса фракционатором разделяется в соотношении 60 % ДВФ/40 % КВФ, затем ДВФ идет на размол примерно до 30 °ШР, и вновь составляется композиция в бассейне для БДМ № 2: 60 % ДВФ/40 % КВФ. Проклейка проводилась в массе клеем на основе АКД. Результаты исследований представлены в табл. 4.

Таблица 4 - Физико-механические показатели двух образцов промышленного картона

8СТСС - сопротивление торцевому сжатию образца на коротком расстоянии в поперечном направлении, кН/м; ***8СТМс - сопротивление торцевому сжатию образца на коротком расстоянии в машинном направлении, кН/м

Сравнение показателей промышленного картона с требованиями ГОСТ Р 53207-2008 на картон показывает, что по сопротивлению продавливанию, разрушающему усилию при сжатии кольца и сопротивлению торцевому сжатию, он соответствует марке картона К-1. Впитываемость по Кобб60 и влажность также соответствуют действующему ГОСТ Р 532072008. Однако, отметиим, что промышленные образцы картона производились по режимам, предусматривающем применение ХВВ - катионного крахмала (7 кг/т), клея на основе АКД (5 кг/т).

В целом, подводя итог рассмотренной серии исследований, можно сделать выводы:

а) макулатурное сырье, отличается низким значением средней длины волокна, что предопределяет достижение физико-механических показателей флютинга и тест-лайнера марок Б-3 и К-1 по соответствующим ГОСТ Р 53206-2008 и ГОСТ Р 53207-2008;

б) для повышения механической прочности бумаги и картона, необходимо совершенствовать технологию в ее наиболее перспективной части, в частности, повышение качества волокна за счет сохранения средней длины волокна (сокращение или исключение стадии размола); рациональное использование ХВВ, за счет создания перспективных схем их применения в технологии.

Следующая серия исследований была направлена на установление интенсивности ухудшения фракционного состава по длине волокна макулатурной массы в процессе последовательных циклов переработки. Для исследований была взята композиция массы 2008 г. Распределение фракционного состава массы получено на анализаторе «Ка]ат Б8 100". Массу разделяли на 6 фракций: 1- фракция 00,61 мм; 2-фракция 0,61-1,02 мм; 3-фракция 1,021,44 мм; 4 -фракция 1,44-2,09 мм; 5-фракция 2,09,91 мм; 6-фракция 3,91-6,79 мм. Переработка волокна во всех циклах осуществлялась без размола массы. На рисунке 1 представлены графики изменения фракций массы по длине волокна в процессе 3-х циклов переработки [8]. На рисунке 2 представлены результаты влияния количества циклов переработки на длину волокна в пределах отдельных фракций.

Как видно на рисунке 1, максимумы кривых распределения волокна по длине смещаются в сторону уменьшения длины. Наибольшее снижение длины волокна наблюдается в 1-м цикле переработки, кривая 2, по сравнению с кривой 1 (исходная масса). Далее, в каждом последующем цикле переработки, снижение длины волокна замедляется. Но, отчетливо видно, что 3 цикла переработки значительно снижают средневзвешенную длину волокна.

Рис. 1 - Распределение макулатурной массы по длине волокна в зависимости от количества циклов переработки: 1 - исходная масса; 2 - масса после 1 цикла; 3 - масса после второго цикла; 4 -масса после третьего цикла

Физико-механические показатели картона марки К-2, массой 125 и 140 г/м2

Абсолют

ное

сопротивление продав-лива- *ЯСТ Н **§ст СБ, кН/м СТМБ ,кН/м Коб б60, г/м2 Влаж ность , %

нию, кПа

К-2 125 г/м2

421 154 2,40 3,89 31 7,5

К-2 140 г/м2

470 159 2,45 4,35 30 8,0

ЯСТ - разрушающее усилие при сжатии кольца, Н;

Как видно на рисунке 2, изменение длины волокна в пределах отдельных фракций имеет различный характер. По мере роста циклов переработки, длина волокна в самой длинноволокнистой фракции постепенно снижается, кривая 6. Изменение соотношения длины волокна в коротковолокнистых фракциях, к которым отнесены фракции с пределами длины волокна 0-0,61 и 0,61-1,02 мм, имеет подобный характер и проходит через максимумы.

1 2

Количество циклов,

Рис. 2 - Зависимость изменения длины волокна в пределах отдельных фракций от количества циклов переработки: 1 - фракция 0-0,61 мм; 2 -фракция 0,61-1,02 мм; 3 - фракция 1,02-1,44 мм; 4 - фракция 1,44-2,09 мм; 5 - фракция 2,09-3,91 мм; 6 - фракция 3,91-6,79 мм

Эти максимумы наблюдаются в области 2-х циклов переработки. В отличие от характера изменения этих фракций, изменение длины волокна в фракциях с пределами длины волокна 1,44-2,09 и 2,09-3,91, проходит через минимумы в той же области 2-х циклов переработки. И, наконец, фракция с пределами длины волокна 1,02-1,44 мм почти не меняется, имеет только тенденцию к увеличению на протяжении всех 4-х циклов переработки.

Учитывая наблюдаемый характер изменения длины волокна в пределах отдельных фракций, в общем процессе последовательной переработки волокна (4 цикла) можно выделить две зоны. Первая -2 цикла переработки и вторая - 2 цикла переработки. Обе зоны отличаются противоположностью протекающих процессов. Если для первой зоны характерно увеличение массовой доли коротковолокни-стых фракций и уменьшение массы средне- и длинноволокнистых фракций, то вторая зона отличается уменьшением массовой доли коротковолокнистых фракций и приростом средне- и длинноволокнистых фракций. Примерно на одинаковом уровне остается массовая доля фракции 3, к которой относится волокно с длиной в пределах 1,02-1.44 мм. Особенность рассмотренных зон - это их примерная симметричность, т. е. в сторону уменьшения и в сторону увеличения циклов переработки фракционный состав массы примерно одинаковый. Например, после

1 цикла и после 3 цикла переработки массовые доли фракций примерно равны: фракция 0-0,61 мм, 17 % (1); фракция 0,61-1,02 мм, 23 % (2); фракция 1,021,44 мм, 20 %м (3); фракция 1,44-2,09 мм, 17 % (4),; фракция 2,09-3,91 мм, 23 % (5). Уменьшение массы фракции с длиной волокна 3,91-6,79 мм закономерно уменьшается в зоне 1 и, при переходе в зону 2, стабилизируется.

В области перехода первой зоны во вторую масса имеет следующий фракционный состав: фракция 0-0,61 мм, 19 % (1); фракция 0,61-1,02 мм, 24 % (2); фракция 1,02-1,44 мм, 20 %м (3); фракция 1,44-2,09 мм, 15 % (4); фракция 2,09-3,91 мм, 21 % (5); фракция 3,91-6,79 мм, 1 % (6).

В отсутствие размола, снижение длины волокна можно отнести на счет температурного воздействия на волокно, которое повышает его хрупкость и повышенную деструкцию в процессах роспуска макулатуры.

Объективно, увеличения длины волокна после его уменьшения в процессах переработки, невозможно. И, следовательно, увеличение массовой доли фракций 4 и 5 и уменьшение доли фракций 1 и 2 объясняется удалением мелкого волокна. Удаление при формовании бумаги и картона мелкого волокна в циклах переработки во второй зоне обуславливает относительное увеличение в массе доли средне- и длинноволокнистых фракций. Важно отметить следующую закономерность, сохранение мелкого волокна в бумаге или картоне, как видно из зоны 2, изменяет кривые 1,2,4 и 5 в прямолинейные участки, идущие параллельно прямой 3. Это говорит о том, что при сохранении мелкого волокна при оливе бумаги или картона каким - либо из технологических приемов, можно поддерживать качество массы по фракционному составу стабильным во всех последующих циклах переработки.

Анализ зависимостей рисунка 2, позволяет проследить закономерности, которые имеют важное теоретическое и практическое значение.

В теоретическом аспекте полученные данные являются:

- обоснованием количественных данных по массовой доле мелкого волокна, которое может удаляться при отливе бумаги или картона, в отсутствие удерживающих средств; после 3-х циклов, примерно 7 %, а после 4-х - 14 % (рис. 2);

- обоснованием массовой доли мелковолокнистой фракции, которую целесообразно отделять от массы для максимально положительного влияния на экономические и экологические показатели производства; эта доля находится в области 40 % (по анализу кривых 1 и 2, рис. 2);

- обоснованием предельного количества циклов переработки макулатуры, после которых использование вторичного волокна требует применения в технологии химических функциональных средств для повышения удержания мелкого волокна в пределах 7-14%, например, бинарных удерживающих комплексов; чем больше циклов переработки прошло волокно, тем более эффективные комплексы должны использоваться;

В практическом аспекте полученные данные позволяют:

- разработать режим эффективного фракционирования массы из макулатуры на коротко- и длинноволокнистую фракции в соотношении массовых долей 40 к 60 %;

- контролировать качество макулатуры по фракционному составу массы, в частности, определять какому количеству циклов переработки отвечает данная макулатура;

- количественно оценивать экономическую целесообразность применения химических средств для удержания мелкого волокна.

Как следует из рассмотренного выше, фракция мелкого волокна (фракции 1 и 2) после 4 циклов переработки составляет около 40 %, из которой в производстве может теряться от 7 до 14 %. Сохранение всей фракции имеет важную экономическую и экологическую значимость. Прямое удержание мелкого волокна с помощью удерживающих средств повышает эффективность использования вторичного волокна на долю, удержания наиболее мелкого волокна в пределах теоретически установленных 714% от массы волокна в потоке. Учитывая, что абсолютное удержание мелкого волокна невозможно и реально может находиться в значительно меньшей доле, 50-70 % от массовой доли мелкого волокна, то прямое удержание мелкого волокна можно считать низкоэффективным методом его использования.

Выводы

1. Качество макулатуры МС-5Б, являясь определяющим фактором, механической прочности тарного картона, представляет собой сырье с четко выраженной постоянной тенденцией уменьшения фундаментальной характеристики макулатурной массы - средневзвешенной длины волокна.

2. Уменьшение длины волокна, превалирующе связано с количеством циклов переработки макулатуры; чем больше циклов переработки, тем меньше общая средневзвешенная длина волокна и повышенное содержание фракций волокна с меньшей длиной и, тем заметнее отрицательное влияние макулатурной массы на механическую прочность тарного картона.

3. Снижение общей длины волокна в последующих циклах переработки макулатуры, ведет к увеличению фракции мелкого волокна, которое способно теряться в виде «промоев» при формовании бумажно-картонных материалов.

4. Проведенные исследования показывают необходимость повышения качества макулатурной массы в процессах переработки макулатуры, в части компенсации потери прочности изготавливаемого тарного картона технологическими средствами - фракционированием массы, гидромеханической обработкой отдельных фракций и более эффективным применением химических вспомогательных веществ.

Литература

1. Д. А. Дулькин, В.А. Спиридонов, В.И. Комаров. Современное состояние и перспективы использования вторичного волокна из макулатуры в мировой и отечественной индустрии бумаги. АГТУ, Архангельск, 2007. 1118 с.

2. ГОСТ 10700-97. Макулатура бумажная и картонная. Технические условия/ Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. -Минск, 1997. -12 с.

3. В.И. Комаров, Л.А. Южанинова, Д.А. Дулькин, В.А. Спиридонов. Особенности технологии бумаги-основы для гофрирования из макулатуры и требования к ее потребительским свойствам. АГТУ, Архангельск, 2007. 103 с.

4. А.С. Смолин, В сб. тр. Производство тарного картона в технологии и оборудовании для производства гофрокартона и гофротары. СПб.ГТУРП, СПб., 2007. С. 7-11.

5. В.Н. Мороз, Г.И. Долинская, В сб. тр. Производство гофрированного картона и гофротары. Ч.2.1-й между -нар. науч.-тех. конф., Киев, 2006. С. 19-23.

6. ГОСТ Р 53206-2008. Бумага для гофрирования. Национальный стандарт РФ. Стандартинформ. -М.,2009. -12 с.

7. ГОСТ 53207-2008. Картон для плоских слоев гофрированного картона. Национальный стандарт РФ. Стандартинформ. -М.,2009. -16 с.

8. О.И.Блинушова, В сб. тр. Гофрокартон от сырья до печати. междунар. науч.-практ. конф. СПб.ГТУРП, СПб., 2008. С. 27-30.

9. С.Ю.Кожевников, И.Н. Ковернинский, А.В. Канарский. Вестник технологического университета, 18, 23, 81-83 (2015).

10. С.Ю. Кожевников, И.Н. Ковернинский, А.В. Канарский. Вестник технологического университете, 19, 3, 67-71 (2016).

© С Ю. Кожевников, к.т.н., предприятие ООО «СКИФ Спешиал Кемикалз», отдел инноваций, руководитель программы научно-технического развития, skif@skif.us; И. Н. Ковернинский, д.т.н., проф., предприятие ООО «СКИФ Спешиал Кемикалз», отдел инноваций, научный консультант, kovern@list.ru; А. В. Канарский - д.т.н., проф. каф. пищевой инженерии малых предприятий КНИТУ, alb46@mail.ru.

© C. Y. Kozhevnikov, Ph. D., the company LLC "SKIF special chemicals", Department of innovation, program Manager for scientific and technological development, mail: skif@skif.us; I N. Koverninskiy, Ph. D., Professor, enterprise LTD "SKIF special chemicals", Department of innovation, scientific Advisor E-mail: kovern@list.ru; A. V. Kanarskiy, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research, alb46@mail.ru.