5. Подготовка щепы к размолу

Обязательное тщательное сортирование щепы, особенно щепы из отходов лесопиления.

Рекомендуются следующие показатели фракционного состава: средняя длина (20 мм) – более 90 %; средняя толщина (4 – 5 мм) – более 90 %; фракция предельной длины (35 – 40 мм) – менее 1 %; фракция предельной толщины (6 – 7 мм) – менее 1 %; опилки до 3 мм – менее 1 %.

Хранение щепы в кучах уменьшает содержание в ней экстрактивных веществ и снижает расход энергии на размол. Однако хранение щепы в кучах около 2 месяцев приводит к ухудшению механических показателей полуфабриката и снижению белизны массы. Поэтому длительное хранение щепы в открытых кучах нецелесообразно.

Предварительное пропаривание. Эта операция производится в расходном бункере, где щепа обрабатывается вторичным паром, образующимся при размоле. Такое пропаривание способствует удалению воздуха из клеток волокна, что облегчает пропитку древесины водой и химикатами. При использовании замороженной щепы эта операция проводится для размораживания её.

щепа

Промытая щепа

Рис. 22. Схема промывной установки для щепы: 1 - сепаратор; 2 -обезвоживающий конвейер; 3 - винтовой конвейер; 4 - обезвоживающий барабан; 5 - центриклинерная установка; 6 - пары вскипания из дисковых мельниц.

6. Теоретические основы производства механической массы из щепы

Процесс производства механической массы из щепы (ТММ, ХТММ и ХММ) состоит из двух основных стадий: 1) предварительной обработки древесного сырья; 2) его дальнейшей механической переработки в волокнистый полуфабрикат с определёнными бумагообразующими свойствами.

Предварительная обработка щепы производится после её сортирования, промывки и увлажнения. Она может осуществляться путём гидролитического (водного), термогидролитического (водного при температуре выше 100 ⁰С) и химико-термогидролитического (химического, затем водного при температуре выше 100 ⁰С) воздействия на щепу.

Целью предварительной обработки является:

- ослабление межволоконных связей;

- размягчение лигнина и перевод его в вязкопластичное состояние;

- частичное разрушение лигно-углеводного комплекса;

- снижение температуры размягчения лигнина и придание волокнам гибкости и пластичности.

Термогидролитическая обработка размягчает щепу и переводит лигнин в вязкопластичное состояние, разрушает лигно-углеводный комплекс, ослабляет связи между древесными волокнами. При предварительной термогидролитической обработке происходит увлажнение древесины. Влажность щепы свыше 40 % является необходимым условием получения механической массы из щепы. Вода при получении данных полуфабрикатов выполняет функцию пластификатора.

При производстве РММ лигно-углеводный комплекс в процессе обработки водой при температуре 60 – 95 ⁰С претерпевает слабую гидролитическую деструкцию и отчасти пластифицируется, но волокна по-прежнему сохраняют высокую жёсткость.

При получении ТММ щепа подвергается предварительной обработке паром при температуре 100 – 140 ⁰С, давлении 100 – 300 кПа в течение 0,5 – 3,0 минут.

Обработка при температуре свыше 140 ⁰С оказывает отрицательное воздействие на свойства полуфабриката: лигнин переходит в вязкотекучее состояние и обволакивает волокна; при последующем охлаждении лигнин затвердевает, образуя твёрдую плёнку на поверхности, препятствуя фибриллированию волокон при механической переработке древесного сырья. Разделение на волокна при механической обработке щепы происходит, в этом случае, при значительно меньшем УРЭ, но полученные полуфабрикаты имеют низкие бумагообразующие свойства.

Применение химических реагентов прежде всего обеспечивает снижение температуры размягчения лигнина, способствует переводу его в вязкоэластичное состояние, а также ослабляет связи между волокнами, что создаёт предпосылки для разделения их без разрушения в процессе последующей механической обработки.

Сульфит натрия является основным химическим реагентом, используемым при получении ХТММ и ХММ из древесины хвойных пород.

В отличие от термогидролитической химико-термогидролитическая обработка древесного сырья, при которой происходят сульфонирование лигнина и другие превращения, приводит к необратимой пластификации лигнина. Образующаяся твёрдая лигносульфоновая кислота, гидрофильная по природе, способствует размягчению щепы и повышению степени набухания волокон. При получении ХММ химические реагенты более интенсивно воздействуют на древесное сырьё, чем при производстве ХТММ.

При воздействии щелочных реагентов повышается набухание волокон благодаря частичному растворению углеводной фракции, а также в результате деацетилирования гемицеллюлоз, что особенно важно при использовании древесины лиственных пород.

Реакция сульфонирования в нейтральной или щелочной среде при образовании твёрдой лигносульфоновой кислоты протекает по механизму нуклеофильного замещения через хинонметидный интермедиат, образованный из фенольной единицы лигнина, к которому присоединяется сульфит-ион. Обработка щепы раствором Na₂SO₃ при температуре 100 – 140 ^оС сопровождается следующими явлениями, оказывающими влияние на свойства ХТММ:

- введение сульфогрупп в количестве 1,3 % а. с. волокна приводит к полному разделению волокон в процессе механической обработки, к повышенному содержанию грубой длинноволокнистой фракции, что вызвано размягчением срединных пластинок;

- введение сульфогрупп в количестве 1,3 – 2,0 % а. с. волокна способствует размягчению клеточных стенок, что повышает гибкость и пластичность длинноволокнистой фракции, способствует увеличению межволоконных сил связи в процессе формования бумажного полотна.

Использование химических реагентов при получении ХТММ приводит к растворению 3 – 5 % компонентов древесного сырья, способствует набуханию волокон, оказывает значительное влияние на свойства полуфабриката: повышается содержание длинных эластичных волокон с хорошо развитой поверхностью, обеспечивающее их тесное переплетение в процессе формирования бумажного полотна.

Древесина лиственных пород существенно отличается от древесины хвойных пород по химическому составу, морфологическому строению волокон и распределению лигнина в толще клеточной стенки. Лиственная древесина характеризуется более сложной структурой, обусловленной большим разнообразием клеток и наличием в ней сосудов. Кроме того, наружный слой вторичной стенки волокна затрудняет предварительную термогидролитическую обработку и требует значительно больше энергии на механическую переработку древесного сырья. При использовании древесины лиственных пород требуется более интенсивная предварительная обработка химическими реагентами, что, в свою очередь, приводит к значительному снижению выхода полуфабриката из древесины и повышению загрязнённости сточной воды.

Предварительную обработку (пропарку или более глубокую обработку) щепы из древесины лиственных пород в процессе производства ХТММ и ХММ проводят либо NaOH, либо NaOH и затем Na₂SO₃ при температуре 60 – 120 ⁰С и выше. Возможно применение Na₂CO₃ вместо NaOH.

Обработка NaOH вызывает набухание волокон, что способствует образованию карбонильных групп и связанных с щелочным гидролизом эфирных и лактонных групп, а также деацетилированию гемицеллюлозной фракции древесины.

Повышение расхода NaOH при обработке щепы выше 1 % к массе а.с.волокна способствует образованию хромофорных групп, поглощающих свет в видимой области, а также частичной деструкции и растворению углеводной фракции, что значительно снижает выход лиственной ХТММ и ХММ.

Обработка Na₂SO₃ снижает конденсацию и температуру пластификации лигнина, а также уменьшает фотолиз и потемнение древесины, поскольку Na₂SO₃ является ингибитором свободно-радикальных инициированных светом реакций, т.е. повышает белизну полуфабриката.

Значение pH среды при обработке химическими реагентами оказывает большое влияние на характер разделения щепы на волокна и свойства ХТММ и ХММ. Щепа, обработанная NaOH и Na₂SO₃ в кислой и щелочной среде, разделяется при механической обработке по клеточной стенке, а после обработки в нейтральной среде – по срединной пластинке.

Механическая переработка щепы протекает в две ступени: 1) разделение на волокна (т.е. дефибрирование); 2) переработка волокон для придания им бумагообразующих свойств (т.е. размол или рафинирование). Обе ступени механической обработки древесного сырья могут происходить одновременно.

Большое влияние на процесс механической переработки как в процессе дефибрирования древесных балансов, так и при размоле щепы, оказывают структура и состояние древесных волокон.

Древесное волокно по показателям механической прочности анизотропно. Оно значительно прочнее в продольном направлении, чем в поперечном.

Принято следующее понятие процесса размола: «При многократном сжатии и релаксации древесного материала происходит поглощение энергии веществом древесины, приводящее к разрыву связей между слоями клеточной стенки и микрофибриллами, составляющими средний слой вторичной стенки. Получаемые волокна приобретают пластичность и свойство принимать нужную форму».

Предполагается, что разрушение волокон при размоле происходит следующим образом: вначале снимается подобно рукаву первичная стенка, в слое S₁ образуются трещины (в продольном направлении волокна), далее фибриллы слоя S₁ скатываются в шарики в местах повреждения оболочки и, наконец, происходит отделение фибрилл из освобождённого внутреннего слоя вторичной стенки.

Процесс размола щепы в дисковой мельницы включает четыре этапа:

1) разрушение щепы с получением грубых пучков волокон на входе в зону размола;

2) дезинтегрирование пучков на отдельные волокна в центральной зоне размола;

3) рафинирование отдельных волокон до получения их обрывков и фибрилл в наружной зоне размола;

4) размол отдельных волокон путём «прокатывания» их между размалывающими сегментами у периферии зоны размола перед окончательным выходом из корпуса дисковой мельницы.

В процессе размола обеспечивается непрерывная подача размалываемого материала в пространство между дисками.

При гидролитической обработке, как это имеет при производстве РММ, лигнин не размягчается, срединная пластинка остаётся жесткой. Волокна в процессе размола в основном разрушаются в поперечном направлении. При этом происходит образование значительного количества мелочи и костры. Следствием этого является то, что РММ имеет самые низкие показатели механической прочности среди всех видов механической массы из щепы.

Термогидролитическая обработка при производстве ТММ способствует получению при размоле значительного количества длинных волокон, снижению содержания мелочи и костры, так как за счёт пластификации лигнина структура волокон становится менее жесткой. Разрыв волокон в поперечном направлении относительно мал. Волокна отделяются друг от друга по срединной пластинке в продольном направлении.

Микроскопический анализ показал, что в процессе получения ТММ происходит разделение вторичной стенки волокна между слоями S₁ и S₂. В массе были обнаружены сегменты волокна в виде «лентообразных» фибрилл (слой S₁). Помимо «лентообразных» фибрилл в ТММ содержится значительное количество целых, неповреждённых волокон.

Химико-термогидролитическая обработка древесного сырья обеспечивает ещё более высокое содержание длинноволокнистой фракции в ХТММ и ХММ, значительно отличающейся по свойствам от длинноволокнистой фракции ТММ, незначительное снижение выхода, относительно низкую загрязнённость сточной воды, удовлетворительные печатные свойства и более высокие по сравнению с другими видами механической массы показатели механической прочности.

Исследование энергетической стороны процесса размола показывает, что на разделение щепы до отдельных волокон в производстве ТММ затрачивается до 25 % от общего УРЭ. Основное количество (до 40 %) затрачиваемой на размол энергии приходится на дальнейшее разрушение волокон и их обрывков. Оставшаяся доля (30 – 35 %) расходуется на придание волокнам бумагообразующих свойств.