РАЗМОЛ ВОЛОКНИСТЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ

Теория процесса

Цель размола волокнистых полуфабрикатов заключается в том, чтобы подготовить их к отливу, сделать волокна гибкими, пластичными, увеличить их поверхность с целью эффективного связеобразования, от которого зависит прочность бумажного листа, придать бумаге требуемую структуру и физические свойства. Это осуществляется путём гидратации и укорочения волокон. Под гидратацией понимается адсорбция воды поверхностью волокон, набухание, фибриллирование, расщепление волокон вдоль оси.

Производят размол в специальных аппаратах - роллах, дисковых и конических мельницах.

Изменения свойств волокон (увеличение гибкости, эластичности, появление жирности на ощупь), происходящие при размоле, объясняют химические, физические и другие теории.

Авторы химической теории полагают, что при размоле происходит химическое взаимодействие целлюлозы с водой, в результате чего на поверхности волокон образуется желатинообразный гидрат целлюлозы (оксицеллюлоза, гидроксицеллюлоза), который в процессе сушки склеивает волокна. Так как позднее было доказано, что при размоле целлюлозы существенных химических изменений не происходит, эта теория оказалась не состоятельной, и была предложена физическая теория, которая объясняла все закономерности размола измельчением волокон и их фибриллированием. С точки зрения этой теории связь между волокнами объяснялась механическим переплетением фибрилл. Физическая теория также оказалась не состоятельной, так как не могла объяснить потерю прочности бумаги при увлажнении.

В современной теории особое значение придаётся строению волокон, содержанию в них гемицеллюлоз, способствующих набуханию и фибрилляции волокон. Благодаря этим процессам волокно становится более гибким, увеличивается его поверхность, образуются межволоконные связи. Установлена природа этих связей. Основную роль играют водородные связи через гидроксильные группы целлюлозы, расположенные на поверхности микрофибрилл соседних волокон. Энергия этих связей 18,8 кДж/моль и действует она на расстоянии 2,5-2,75 Å.

Кроме того, в листе бумаги действуют силы ван-дер-Ваальса и механические силы сцепления, однако вклад этих сил невелик. У прочной бумаги на силы ван-дер-Ваальса приходится 4–5 %, у непрочной – 20–25 %. В водородную связь включается 0,5–2 % всех гидроксилов целлюлозы.

а

В процессе размола различают несколько стадий. В начале происходит раз­рушение и удаление наружных оболочек волокна Р и S₁, которые сдерживают его набухание и фибрилляцию. С разрушением этих оболочек обнажается фибриллярная структура вторичной стенки, облегчается проникновение воды. Вода сначала заполняет все пустоты в волокне, при этом его размеры не увеличиваются. Когда вода проникает в субмикроскопические поры, начинается процесс набухания. Набухшие волокна пластичны, что предохраняет их от разрушения при размоле. Набухание способствует фибриллированию, которое осуществляется под действием напряжения сдвига, возникающего при перемещении ножей размалывающего аппарата. На поверхности волокна образуется «начёс» из отдельных микрофибрилл, в результате поверхность волокон увеличивается в 2-10 раз, что способствует лучшему контакту их между собой в листе бумаги. Кроме «наружного» фибриллирования происходит так называемое «внутреннее» фибриллирование – разрыхление упаковки микрофибрилл. Это приводит к увеличению гибкости волокна в 3-15 раз, так как за счёт разрыва внутренних связей увеличивается количество воды, впитываемое волокном. Прочность единичного волокна в процессе размола понижается примерно на 10–25 %. В процессе производства бумаги при обезвоживании вода, удаляясь, притягивает волокна друг к другу под действием сил поверхностного натяжения. При этом между волокнами устанавливается водородная связь (рис. 2).

Механизм размола

Волокна при размоле проходят в зазоре между неподвижными и вращающимися ножами. При этом на ведущей кромке ножа повисает пучок волокон (рис. 3). В первый момент происходит отжим до концентрации 30-60 % (исходная концентрация 2,5–3,5 %). При дальнейшем движении ножа волокна испытывают нагрузки.

В зависимости от прочности волокна и приложенной нагрузки могут быть получены различные результаты. Если приложенная нагрузка больше прочности волокна, то происходит его рубка, если меньше - раздавливание и фибриллирование. Прослойка растягивается, уменьшается её толщина, усилие, прилагаемое к волокну, уменьшается. Нож ротора сходит с ножа статора, нагрузка снимается, и волокно, частично восстанавливая свои размеры, всасывает воду. В пространствах между ножами происходит завихрение волокон. Они подвергаются гидродинамическому воздействию. 90 % работы размола приходится на кромку ножа (ширина ножа 2 - 3 мм), удельное давление на кромку ножа составляет 70 - 350 кг/см², продолжительность приложения нагрузки – 10^–4 -10^–5 с, промежуток между импульсами – 10^–3 с.