РАЗМОЛ БУМАЖНОЙ МАССЫ

Набухание целлюлозных волокон

Целлюлоза принадлежит к группе веществ, которые можно отнести к гелям. Она способна впитывать соответствующую жидкость в поры своей поверхности. Такое впитывание жидкости вначале протекает без увеличения объема, затем вода, впитан­ная капиллярными порами, проникает к оболочке вторичной стенки. Вследствие этого волокно набухает, увеличивая при благоприятных условиях свой объем в несколько раз. Набухание можно рассматривать как переходную ступень процесса раство­рения. Для того чтобы вещество перешло в раствор, необходимо, чтобы каждая молекула его со всех сторон была окружена жид­костью, причем размер молекул должен в таком случае как раз соответствовать размеру макромолекул целлюлозы.

Вода в целлюлозном волокне может присутствовать в раз­личных видах: в виде свободной воды, капиллярной воды и моле­кулярно связанной воды. Термин «свободная» обычно отно­сится к той воде, которая находится вне волокон. Силы, связы­вающие ее с целлюлозой, весьма незначительны, поэтому ее можно без всяких затруднений удалить, например, фильтрацией, отжатием или центрифугированием.

Капиллярная вода располагается в капиллярах, трещинах и порах волокон. Эта вода с целлюлозой связана силами поверх­ностного натяжения и для ее удаления требуется значительно больше энергии. Так, например, в поре (капилляре) с эквива­лентным радиусом, равным \\х, происходит разрушение водной пленки уже при снижении относительной влажности воздуха до 99,9%. Чтобы удалить воду из капилляра с эквивалентным радиусом, равным 0,01 р,, необходимо снизить относительную влажность воздуха до 90%. При снижении относительной влаж­ности воздуха до 60% вода удерживается лишь в капиллярах с эквивалентным радиусом, меньшим 22 А (0,0022 (л). По данным, приведенным в некоторых работах [45], можно считать, что вся капиллярная вода может быть удалена, когда сухость волок­нистой массы достигнет 94%, т. е. при влажности целлюлозы не выше 6%. Это соответствует относительной влажности атмо­сферного воздуха, равной 30—40%.

Молекулярно связанной считают воду, молекулы которой непосредственно связаны с гидроксильными группами целлю­лозы силами, подобными действующим в истинных растворах. Для выделения молекулярно связанной воды требуется намного больше энергии (преимущественно тепловой), чем для удаления капиллярной воды. Молекулярно связанная вода из целлюлозы практически может быть удалена лишь при высушивании волок­нистого материала до постоянной влажности, однако без дест­рукции целлюлозных макромолекул.

Капиллярную воду и воду молекулярно связанную, т. е. всю воду, находящуюся внутри волокон, иначе называют водой на­бухания. Эта вода в целлюлозных волокнах адсорбируется поли­сахаридами при соприкосновении с ними. Вследствие того, что на поверхности полисахаридов существует неуравновешенное силовое поле, адсорбция понижает энергию свободной поверх­ности волокон. Таким образом, набухание является экзотерми­ческим процессом. Энергии, высвобождающейся при набухании, достаточно для разрушения побочных связей между молекулами аморфных полисахаридов. Однако для разрушения кристалли­ческих формаций ее недостаточно вследствие того, что в кри­сталлических областях целлюлозы поляризованные гидроксиль - ные группы соседних макромолекул связаны достаточно проч­ными связями, для разрыва которых требуется значительно большая энергия [46]. Содержание аморфной части в клеточной стенке составляет примерно 30—40%; эта часть состоит преиму­щественно из гемицеллюлоз, обладающих способностью хорошо впитывать воду. Процесс набухания может протекать и в невод­ных полярных жидкостях.

Изучением влияния полярности жидкости на набухание целлюлозных волокон занимались Кресс и Бьялковский, Кэролл и Мезон [47] и др. Было установлено, что сульфитная целлюлоза, полученная по способу Митчерлиха, при набухании в масле увеличивает свой объем на 2%, в то время как в воде ее объем увеличивается на 90%. При набухании объем целлюлозных волокон увеличивается главным образом в ширину. Удлинение волокон при набуха­нии незначительно, всего около 1% [48, 49]. Такой характер набухания объяс­няется месторасположением аморфных полисахаридов, находящихся в коак­сиальных слоях оболочки волокна.

Набухание целлюлозы зависит как от свойств самой целлю­лозы, так и от свойств жидкости, в которой происходит набуха­ние. Оно возрастает почти линейно с повышением содержания пентозан в целлюлозе хвойных пород [50]. При увеличении содер­жания в целлюлозе гемицеллюлоз набухание, как правило, повы­шается. Повышение температуры отрицательно сказывается на развитии процесса набухания. Наименьшее набухание происхо­дит в интервале Рн=7-ь7,5. В кислой и щелочной среде набуха­ние усиливается. Наиболее высокий эффект набухания цел­люлозы достигнут при Рн=5-т-б, а в щелочной среде при Рн=8-5-9 [51].

Развитие набухания волокна с соответствующим изменением его внутрен­ней структуры можно наблюдать при помощи микроскопических или дилато­метрических методов, центрифугирования и пр. Наиболее удобными являются методы, основанные на измерении водопропускной способности целлюлозы. Эти методы разработали и описали Робертсон, Мезон и Кэрролл [52, 53]. Хорошие результаты дает также метод центрифугирования, основанный на принципе отделения свободной воды, расположенной на внешней поверхности волокон. Этот метод для целей бумажного производства разработал Джайме [54, 55]. Разработкой этого метода занимались также Престон и Нимкар [56] и некото­рые другие [57].

Влияние набухания целлюлозы на прочность бумаги исследовали многие авторы. Например, Вульч и Виссман [58] установили, что после четырехчасо­вого набухания воздушносухой целлюлозы перед размолом прочностные свой­ства бумаги, полученной из такой целлюлозы, размолотой до определенной степени помола, повышаются на 15% при одинаковой затратезнергии на раз­мол. Для получения бумаги с заданной прочностью можно было размалывать такую целлюлозу до более низкой степени помола, что позволило снизить рас­ход энергии на размол и улучшить условия обезвоживания на бумагодела­тельной машине. По данным советских источников [59], перед размолом волок­нистую целлюлозную массу целесообразно подвергать набуханию не менее 2 ч. При соответствующем набухании целлюлозы удельный расход энергии на раз - - мол можно сократить до 20%.

Влияние набухания наиболее четко проявляется при перера­ботке волокон, предварительно прошедших интенсивную сушку. По данным наших исследований, подтвержденных лаборатор­ными и производственными опытами, продолжительность набу­хания таких целлюлозных материалов гораздо больше [57]. Для сборной молотой макулатуры кривая набухания возрастет сравнительно круто в течение 9—12 ч. За первые 9 ч набухания содержание воды в материале возрастет на 15—18% в час (измерено методом центрифугирования). В последующие часы прирост воды набухания в материале составлял 5—6% в час.

Набухание целлюлозных материалов способствует улучшению качества вырабатываемой бумаги.

Для некоторых материалов, имеющих сравнительно прочную поверхностную (первичную) оболочку, плохо пропускающую воду, например для хлопковых волокон, набухание можно уско­рить воздействием размалывающих устройств. При использо­вании сборной макулатуры, поверхность которой является ча­стично ороговевшей, набухание можно ускорить путем осторож­ного воздействия при помощи оборудования для. окончательного роспуска или рафинирования. Однако при этом потребуется минимум 3 ч для удаления неактивных поверхностных оболочек. Размол недостаточно набухшего материала ведет к снижению прочности бумаги.