Размольно-подготовительный отдел фабрики по производству бумаги (стр. 2 из 10)

Фибрилляция может происходить как на поверхности, так и внутри клеточной стенки волокна. В первом случае поверхность волокна разрушается и от нее отделяются фрагменты клеточных оболочек и фибрилл, образуя своеобразный ворс на поверхности волокна, видимый при большом увеличении микроскопа. Такая фибрилляция увеличивает наружную поверхность волокна и его способность к образованию межволоконных связей, однако она ослабляет прочность самого волокна и снижает сопротивление бумаги раздиранию. При внутренней фибрилляции отделения фибрилл не происходит, повышается лишь гибкость и пластичность волокон в результате усиленного набухания гемицеллюлоз в межфибриллярных пространствах, ослабления и частичного разрушения связей между фибриллами. Такая фибрилляция сообщает волокну способность к образованию межволоконных связей, не снижая прочности самого волокна, а потому она является более желательной.

Некоторые исследователи высказывают предположение, что ге-мицеллюлозы, обладая более короткими, чем целлюлоза, цепями и ветвистым строением, способны очень сильно набухать, образуя подобие коллоидного раствора на поверхности фибрилл целлюлозы. В таком состоянии они, обладая известной степенью подвижности, могут перемещаться и сорбироваться на поверхности волокон, что облегчает образование межволоконных связей между микрофибриллами соседних волокон через гидроксильные группы. Вначале при прессовании мокрого листа эта связь устанавливается через гидратированную пленку воды на поверхности микрофибрилл, затем при удалении воды сушкой — через мономолекулярную пленку воды с более четкой ориентацией гидроксиль-ных групп и, наконец, через водородную связь при полном удалении воды сушкой и сближении поверхностей волокон силами поверхностного натяжения воды до необходимого расстояния 2,5—2,75 А. Сближению волокон при сушке способствуют пластичность и гибкость размолотого волокна и силы поверхностного натяжения воды, величина которых, как показал Б. Кемпбелл , может достигать 100—200 кгс/см. Силы, стягивающие волокна в единую структуру, оказывают большое влияние на более тонкие и гибкие волокна. В результате действия этих сил бумага при сушке подвергается значительной усадке и образует более плотный и прочный лист.

Резюмируя, можно сказать, что главное действие размола заключается в подготовке поверхности волокон для образования межволоконных связей и в придании волокнам способности связываться между собой в прочный лист, что достигается частичным разрушением и удалением наружных клеточных оболочек, приданием волокнам гибкости и пластичности вследствие ослабления и частичного разрушения межфибриллярных связей вторичной клеточной стенки (фибрилляция волокна) и усиленного набухания целлюлозного волокна и особенно гемицеллюлоз в межфибриллярных пространствах и на поверхности фибрилл (гидратация волокна при размоле). Термин гидратация здесь применяется в смысле коллоидно-физического взаимодействия целлюлозы с водой и достаточно хорошо характеризует сущность коллоидно-физических явлений, происходящих с волокном при размоле.

Второе важное действие размола заключается в укорочении волокон и частичном их расщеплении по длине, что необходимо для предотвращения флокуляции волокон при листообразовании и улучшения формования, а также для придания бумаге требуемой структуры при выработке тонких, жиронепроницаемых, впитывающих и других видов бумаги.

Таким образом, механические процессы измельчения волокон обусловливают главным образом структуру бумажного листа, а коллоидно-физические процессы — связь волокон в бумаге. Благодаря межволоконным силам связи бумага приобретает плотность и прочность, а пористость и пухлость ее снижаются.

1.3.Природа межволоконных сил связи и их формирование.

Природа межволоконных сил связи в бумаге может быть различной, однако главным и основным видом этой связи является водородная связь через гидроксильные группы, расположенные на поверхности микрофибрилл соседних волокон. Энергия этой связи по определению Корте составляет 4,5 ккал/моль, а расстояние между гидроксильными группами, при котором она образуется, составляет 2,7 А. Наряду с водородной связью в бумаге действуют и силы ван дер Ваальса, однако их энергия связи мала и потому не может обеспечить достаточную прочность бумаги.

Прочность бумаги, отлитой в неполярной жидкости, например в бензине, или из целлюлозы, у которой гидрофильные группы заменены гидрофобными, обусловлена только силами ван дер Ва-альса. Аналогичная картина наблюдается и у бумаги, изготовленной из волокон минерального и органического происхождения: асбеста, стекловолокна, шерсти, синтетических волокон. Все они не имеют функциональных гидроксильных групп и не могут образовать прочной связи, а потому из них нельзя приготовить сколько-нибудь прочную бумагу без введения специального связующего.

В настоящее время наличие водородной связи между волокнами в бумаге можно считать вполне доказанным. X. Корте и X. Шашек путем обменной реакции дейтерия с водородом установили уменьшение количества гидроксильных групп в бумаге, образованной из размолотых волокон, за счет образования межволоконных водородных связей. По данным этих исследователей, в водородную связь включается от 0,5 до 2% гидроксильных групп, имеющихся в целлюлозе. Если учесть, что основное количество гидроксильных групп в целлюлозном волокне включено в межмолекулярную водородную связь в кристаллитах, а также частично и в аморфных областях целлюлозы, то это уж не такая малая цифра. Она достаточно хорошо согласуется и с увеличением количества воды, адсорбированной целлюлозным волокном при размоле. По данным Б. Кемпбелла , при сильном размоле целлюлозы поглощение воды по сравнению с немолотой целлюлозой повышается на 4% и на такую же величину увеличивается общая поверхность волокна.

Доказательством образования водородной связи в бумаге может служить также и следующее наблюдение: предварительно растянутая бумага, у которой снята первичная ползучесть, релаксирует при повторном цикле нагрузки и ее снятии без повреждения структуры. Такое поведение бумаги невозможно при наличии только механических сил трения между волокнами, оно доказывает существование молекулярных сил связи .

Разрешающая сила электронного микроскопа пока еще не позволяет рассмотреть отдельные водородные связи, однако тонкие перемычки из прядей и фибрилл между соседними поверхностями волокон хорошо видны на микрофотографиях, и нет сомнений в том, что эти связи имеют молекулярную основу.

Как уже указывалось, большую роль для формирования водородных связей между волокнами играют силы поверхностного натяжения воды, которые стягивают тонкие и гибкие волокна и приводят их в тесное соприкосновение между собой при прессовании и сушке бумаги.

У бумаги из стекловолокна нарастание прочности до сухости 25—30% происходит точно так же, как и у целлюлозной бумаги, так как в этой стадии прочность бумаги обусловливается только силами поверхностного натяжения воды, однако при дальнейшем обезвоживании сушкой прочность бумаги снова начинает снижаться и притом прогрессивно, падая до нуля, так как прочные связи у бумаги из стекловолокна не образуются. Однако если к стекловолокну прибавить подходящее связующее, например крахмальный или силикатный клей, то при сушке такой бумаги также начнут формироваться связи между волокнами и прочность бумаги будет возрастать.

1.4.Контроль за процессом размола

Для оценки качества массы при размоле применяют различные методы и приборы. Степень помола массы или ее садкость определяют на приборах Шоппер-Риглера и канадским стандартным, среднюю длину волокна — на приборах Иванова, Имсета и полуавтоматическом курвиметре, на котором также определяют и фракционный состав массы по длине волокон. Визуальную оценку структуры и размеров волокон производят с помощью микроскопа и микропроекционного аппарата. Способность массы удерживать воду определяют по методу Джайме. При исследовательских работах определяют также скорость обезвоживания массы, сжимаемость, набухший объем волокна, удельную поверхность.

Степень помола массы в большинстве стран Европы определяют на приборе Шоппер-Риглера, в Америке, в Скандинавских странах и в Англии широко используется также и канадский стандартный прибор. На обоих этих приборах определяют способность бумажной массы пропускать через себя воду; полученные данные характеризуют степень разработки и измельчения волокон, а также степень их гидратации при размоле. Однако по показаниям этих приборов еще нельзя судить о средних размерах волокон. Устройство этих приборов хорошо известно и описание их приведено в любой книге по технологии бумаги.

Прибор Шоппер-Риглера не чувствителен в низкой (от 8 до 16° ШР) и в высокой областях размола массы (свыше 85— 90° ШР). Поэтому он малопригоден для анализа массы, применяемой для изготовления древесноволокнистых плит, а также массы для конденсаторной бумаги.

Для оценки структуры волокна при размоле массы пользуются микроскопом или микропроекционным аппаратом, который устанавливают в темной комнате. Изображение волокна направляют на большой экран, разграфленный на квадраты, масштаб которых позволяет оценивать волокна по длине. Однако определение средней длины волокна с помощью микроскопа сложно, требует опыта от работников и занимает много времени.

Следовательно, предпочтение следует отдать второму показателю, которым и надлежит пользоваться для производственного контроля процесса размола массы и при проведении исследовательских работ.

В последние годы в Финляндии и Швеции были выпущены полуавтоматические приборы для определения фракционного состава массы по длине волокон. В этих приборах микроскопическое изображение волокон отбрасывается на стеклянный столик прибора, разграфленный на несколько секторов, и оператор с помощью курвиметра, снабженного мерным колесом, обводит изображения всех волокон. При этом электронный счетчик сразу суммирует результаты анализа, регистрируя отсчеты по фракциям. На основании полученных результатов фракционного состава можно вычислить по указанным ранее формулам как среднеарифметическую, так и средневзвешенную длину волокна. Эти приборы дают более надежные и быстрые измерения по сравнению с измерениями, выполненными с помощью обычного микроскопа, однако они значительно уступают в скорости определения средней длины волокна на приборах Иванова и Имсета, а потому они менее пригодны для производственного контроля процесса размола.