содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

§ 7.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЦЕССА РАЗМОЛА В ПРОИЗВОДСТВЕ БУМАГИ



Прежде чем была разработана современная теория размола волокнистых материалов, было предложено несколько других теорий. Авторы этих теорий понимали, что при размоле волокнистых материалов в водной среде происходит не только изменение размеров волокон по их длине и толщине, т. е. что процесс размола это не только процесс механического измельчения волокон. Этому пониманию способствовали факты изменений свойств массы, получаемой в результате размола, а также отличия в свойствах бумаги из неразмолотой и размолотой массы. Действительно, в результате длительного размола бумажная масса с трудом отдает влагу при обезвоживании и становится жирной на ощупь, а бумага, изготовленная из такой массы, приобретает плотную структуру и повышенные показатели механической прочности.

Для объяснения этих фактов Ч. Кросс и Д. Бивен выдвинули химическую теорию процесса водного размола волокон целлюлозы. Согласно этой теории при размоле воло-кон вода взаимодействует с целлюлозой, образуя гидрат. Так впервые появилось понятие о гидратации, волокон целлюлозы, отличающееся от современного тем, что Ч. Кросс и Д. Бивен полагали наличие в процессе размола чистой химической реакции, тогда как сейчас в это понятие вкладывается смысл происходящих коллоидно-химических явлений. Г. Швальбе, другой приверженец химической теории процесса размола, утверждал, что при размоле волокон в водной среде образуются гидро- и оксицеллюлозы, которые склеивают волокна при сушке бумаги, увеличивая тем самым ее механическую прочность.

Химическая теория была опровергнута последующими исследованиями, показавшими, что процесс размола не изменяет химический состав и рентгенограмму структуры волокон. Имеет лишь место некоторое уменьшение степени полимеризации целлюлозы при увеличении степени ее растворимости в щелочи и повышении гидролизного числа. Это объяснимо большей доступностью размолотых волокон к действию щелочей и кислот, а также при длительном размоле—некоторым уменьшением длины цепей целлюлозы.

Несмотря на несостоятельность химической теории для объяснения явлений процесса размола волокон целлюлозы, ее прогрессивное значение заключается в предопределении этой теорией положительной роли гидрофильных добавок (крахмала и его модификаций, натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы и др.), использование которых при размоле волокон способствует ускорению процесса размола и увеличению механической прочности изготовляемой бумаги.

Сторонники физической теории процесса размола Дж. Стрейчен, К. Вурстер и Б. Кемпбелл основное назначение размола видели в фибриллировании волокон, которое по их мнению способствует лучшему переплетению поверхностных фибрилл и в основном обеспечивает прочность изготовляемой бумаги.

Дж. Стрейчен в своих первоначальных работах считал, что силы, действующие при связи двух хорошо размолотых и фиб-риллированных волокон, подобны по своей физической сущности силам, обеспечивающим прочную связь двух взаимно спрессованных щеток, волосы которых плотно сомкнуты между собой.

Такого же взгляда придерживался и К. Вурстер. Он писал, что волокна в бумаге можно уподобить ветвям живой изгороди, которые из-за взаимного перепутывания и возникающих при этом сил трения образуют прочную связь. Разрывая бумагу или проходя сквозь живую изгородь, человек должен преодолеть в обоих случаях силы, которые, по мнению К. Вур-стера, являются одинаковыми по своей природе и отличаются лишь по величине.

Б. Кемпбелл существенную роль отводил силам поверхностного натяжения воды, под влиянием которых при сушке

бумаги происходит сближение волокон и установление между ними большего числа контактов.

Авторы физической теории размола понимали, что приводимые ими соображения не могут удовлетворительно объяснить сущность явлений этого процесса. Поэтому позже один из них — Б. Кемпбелл выдвинул новую идею, а именно идею частичной растворимости целлюлозы в воде с последующим (при сушке бумаги) ее выделением из раствора, осаждением на волокнах и скреплением волокои между собой.

В 1943 г. Дж. Клафк попытался выдвинуть свой вариант теории процесса размола, так называемую объединенную теорию. Он принял от Дж. Стрейчена его положение о важном значении фибрилляции волокон, а от Б. Кемпбелла — его мнение о частичной растворимости целлюлозы и роли сил поверхностного натяжения воды. Эти соображения Дж. Кларк дополнил данными собственных наблюдений о влиянии набухания волокон на их фибриллирование. Объединенная теория Дж. Кларка в настоящее время также не может быть признана полноценной.


Современная теория процесса размола сложилась не сразу. Она создавалась постепенно трудами многих ученых в Советском Союзе и за рубежом. Эта теория исходит из положения о том, что в процессе размола растительных волокон в водной среде имеют место как явления механического и гидродинамического воздействия на волокна, так и явления коллоидно-химические, обусловленные морфологическим строением и химическим составом таких волокон.

Механические воздействия на волокна в процессе их размола проявляются в рубке волокон, их раздавливании, расчесывании с отделением пучков фибрилл и образованием на поверхности волокон своеобразного ворса из отдельных фибрилл (внешняя фибрилляция).

Гидродинамические воздействия выражаются прежде всего в ударах волокнистой суспензии о размалывающие органы и стенки размалывающего аппарата. Эти гидродинамические удары дополняют механические воздействия на волокна. Одновременно при этом имеет место трение волокон друг о друга и трение их о размалывающие органы и стенки размалывающей аппаратуры.

Коллоидно-химические явления, происходящие при размоле, как указано в начале этой главы, начинаются с набухания волокон, которое по мере ведения процесса размола увеличивается. У неразмолотых волокон набухание их в поперечном направлении может достичь 20—30%, а у размолотых — величины их удвоенного диаметра. Дело в том, что при размоле волокон происходит как внешняя, так и внутренняя фибрилляция.

Внешняя фибрилляция сопровождается увеличением наружной поверхности волокон и ростом на этой поверхности числа

гидроксильных групп, адсорбирующих воду. При этом ослабляются сами волокна, облегчается доступ воды в межфибриллярные пространства. При внутренней фибрилляции волокон отщепления фибрилл не происходит, не уменьшается прочность самих волокон, наблюдается лишь повышение гибкости и пластичности волокон вследствие набухания гемицеллюлоз, находящихся в основном в межфибриллярных пространствах.

Рис. 4. Схема мостиковых межволоконных связей через диполи воды:
1 — диполи воды; 2 — первое волокно; 3 — второе волокно

При набухании волокон связь между мицеллами и микрофибриллами ослабляется, что и способствует ускорению размалывающего эффекта. Внутрь мицелл вода не проникает.

Первым из советских ученых, кто обратил внимание на роль гидроксильных групп в образовании связей между волокнами целлюлозы, был профессор Я. Г. Хинчин. Однако природа этих связей им установлена не была. Лишь в начале 40-х годов с появлением работы Эллиса и Басса стало известно о наличии между гидроксильными группами цепей целлюлозы водородных связей, представляющих собой особый вид вторичных валентностей. Доказательством наличия подобных связей послужили результаты изучения спектра поглощения инфракрасных лучей. Этот спектр отражает каждое изменение в колебаниях водородных атомов при присоединении их к другим атомам структуры.

Активные гидроксильные группы на поверхности находящихся в воде волокон целлюлозы сольватированы молекулами

воды, которые можно обозначить в виде диполей- +. При

сближении мокрых волокон под сильным давлением между сольватированными активными группами на поверхностях соседних молекул могут образовываться через диполи различные мостиковые связи, например водяной мостик по схеме, представленной на рис. 4.

В процессе сушки влажной бумаги вода постепенно удаляется, и волокна под действием сил поверхностного натяжения воды в капиллярах (порах) бумаги будут приближаться друг к другу с возрастанием силы взаимодействия между активными группами. Как видно из приведенной схемы, можно

полагать, что при высыхании в первую очередь удалится средняя молекула воды, а крайние молекулы соответственно приблизятся и вновь свяжут активные группы первого и второго волокон. Таким постепенным приближением при удалении сольватационной воды активные группы настолько сблизятся между собой, что смогут вступить в сферу непосредственного взаимодействия.

Рис. 5. Схема мостиковых связей между параллельными целлюлозными цепями:
а — параллельные целлюлозные цепи, соединенные боковой связью через водородные мостики в сухих волокнах; б — параллельные целлюлозные цепи, соединенные молекулами воды через водяные мостики во влажной бумаге

На рис. 5 показано в виде схемы, как в результате сушки водяной мостик заменяется на водородный. Чем полнее при сушке удаляется вода, тем в большей степени используются силы взаимодействия тех активных групп, которые вследствие своего пространственного расположения могут приблизиться друг к другу. При увлажнении сухой бумаги вода проникает в поры листа, раздвигает волокна, вызывает их набухание. При этом рвутся прочные водородные мостики (см. рис. 5, а) и волокна оказываются связанными непрочными водяными мостиками (см. рис. 5, б). К тому же вода, как смазка, уменьшает взаимное трение волокон, что также приводит к снижению механической прочности бумаги в результате ее увлажнения.

Очевидно, что силами поверхностного натяжения воды в капиллярах бумажного листа легче сдвинуть и сблизить между собой тонкие фибриллы, чем исходные нефибриллированные волокна. Этим в первую очередь и объясняется повышенная усадка и плотная структура бумаги, состоящей из фибриллированных волокон. Таким образом, фибриллирование волокон в процессе их размола представляется важным не только для того, чтобы содействовать лучшему механическому переплетению между собой волокон или фибрилл, но и для создания под влиянием сил поверхностного натяжения более сомкнутого, а следовательно, и более прочного листа. При этом нужно иметь в виду, что благодаря фибриллированию увеличивается

развернутая поверхность волокон, на которой появляются ранее скрытые в толще гидроксильные группы. Именно по этим группам и осуществляются водородные связи между волокнами. В результате фибриллирования увеличивается число контактов между волокнами, что способствует упрочнению бумажного полотна.

Спектроскопические наблюдения X. Корте и К- Шашека в сочетании с опытами по дейтерированию целлюлозы при ее обработке тяжелой водой позволили вычислить среднюю величину энергии водородной связи, которая оказалась равной 18,84 кДж/моль при действии на расстоянии 0,27 нм между гидроксильными группами. По данным других исследований, водородные связи возникают на расстояниях 0,26—0,28 нм с энергией 12,5—33,4 кДж/моль.

Непосредственные наблюдения с использованием электронного микроскопа позволяют наглядно видеть, насколько тесны контакты между волокнами в бумаге. Эти наблюдения свидетельствуют о реальных возможностях установления между волокнами водородных связей. Данные, приведенные в работе О. Кэлмиса и О. Эккерта о расчете площади связи между волокнами с использованием при этом сочетания оптических и химических методов исследования, свидетельствуют о том, что в оптически наблюдаемом контакте существуют именно водородные связи.

Силы связи между волокнами характеризуются не только водородными связями. Проявляют свое действие и силы ван дер Ваальса, возникающие на расстоянии 0,28—0,5 нм. Однако энергия этих сил связи значительно ниже энергии водородной сбязи и сами по себе они не могут обеспечить прочность бумаги. Определенную роль играют и чисто механические силы сцепления за счет шероховатости сопряженных поверхностей (силы трения). Эти силы имеют доминирующее значение у таких волокнистых материалов, как древесная масса, и весьма значительны у волокон хлопковой полумассы.

Таким образом, современная теория процесса размола объясняет явления, происходящие при этом процессе, и его основное назначение в подготовке поверхности целлюлозных волокон для образования межволоконных связей в бумажном полотне. О теории процесса размола дополнительные данные приведены в работах [5, с. 37—50; 6, с. 32—58; 20, с. 9—18].

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..