Бумага прошла долгий путь, прежде чем ее стали производить в том виде, в каком мы знаем ее сейчас. Изобретенная в Китае, она с самого начала была важным носителем информации, а для ее производства использовали шелковые и льняные волокна.
Производство бумаги
Процесс производства бумаги состоит из нескольких этапов. Первый из них заключается в дроблении и очистке волокнистой массы, которая может быть первичного происхождения (древесина) или вторичного (макулатура). Основным источником целлюлозных волокон является древесина, получаемая на лесопильных предприятиях в нескольких видах, например, в виде бревен, стружки или опилок.
На следующем этапе волокнистый материал подвергается дальнейшей обработке,в результате которой превращается в древесную массу, а ее, в свою очередь, перерабатывают на бумагу. Производство древесной массы может осуществляться механическими или химическими методами. В процессе химической переработки используют, как правило, щелочи (напр. гидроксид натрия в виде щелока или же каустическую соду), заданием которых является удаление лигнина, связывающего волокна.
Ключевым является также применение противопенных препаратов на каждом этапе производства бумаги. Противопенные вещества применяют в процессе производства всех видов бумажной продукции. Пена образуется в результате смешивания газов с целлюлозной массой и удерживается в ней из-за присутствия поверхностно-активных веществ. Для удаления пены, образующейся на последующих этапах производства бумаги, с успехом могут быть использованы продукты из ассортимента Группы PCC. К ним относятся блочные сополимеры EO/PO под названием ROKAmer и серия алкоксилированных жирных спиртов (ROKAnol LP). Их высокая эффективность в ликвидации пены и предотвращении ее образования позволяет повысить эффективность последующих технологических этапов.
Методы химической варки волокон
Методы химической варки волокон заключаются, главным образом, в применении разных химических реагентов, а также в подаче тепла для размягчения лигнина. Под воздействием химических веществ происходит его полное растворение, а затем волокна подвергают механической переработке с целью их отделения. На практике применяют два разных процесса химической варки.
Первым из них является процесс сульфатной варки, называемый также процессом Крафта. В настоящее время это наиболее распространенная технология. Благодаря ее применению перерабатывают около 80% мирового производства целлюлозной массы. Переработка Крафта стала наиболее часто применяемым методом ввиду нескольких факторов. Волокна после сульфатной варки имеют более высокую прочность по сравнению с полученными в результате других доступных технологий. Кроме того, она может быть применена в отношении всех пород древесины, а сам процесс обеспечивает эффективную регенерацию используемого химического сырья.
Метод Крафта заключается в соединении древесной щепы с белым щелоком (это водный раствор гидроксида натрия и сульфида натрия). В среде повышенного давления и температуры этот раствор растворяет лигнин, освобождая волокна целлюлозы. После окончания реакции травления получают черный щелок и целлюлозную массу. Щелок содержит растворенные органические вещества, которые можно регенерировать и снова использовать в процессе химической варки. В свою очередь, из полученной массы (в присутствии кислорода и гидроксида натрия) удаляют лигнин в процессе кислородной делигнификации. Полученный таким образом материал белят с целью получения нужных эксплуатационных свойств, таких как: прочность, яркость и чистота конечного продукта.
Второй из процессов химической варки – это процесс сульфитной варки. Он заключается в применении водного раствора диоксида серы в присутствии щелочей (напр. кальция, магния, натрия и аммония). Получаемые в результате этого процесса продукты более светлые и легко отбеливаются, однако, они, безусловно, имеют более низкую прочность, чем в случае чаще используемой сульфатной варки. Сульфитная варка требует также тщательного подбора древесного сырья – он неприменим, например, в случае древесины сосны. Процесс сульфитной варки по сравнению с методом Крафта сопровождается меньшим количеством неприятных газов, отличается большей производительностью, а также позволяет получить очень светлую массу, которая легко поддается выщелачиванию. К сожалению, из-за более низкого качества волокон, высокого расхода энергии и низкой способности регенерации применяемого в процессе химического сырья, технология сульфитной варки была вытеснена процессом Крафта.
Механические методы варки волокон
Механическая варка обеспечивает очень высокую производительность получения волокнистых масс из древесины. Основными процессами, используемыми в промышленном масштабе, являются: процесс изготовления классической дефибрерной древесной массы (ДДМ) и процесс изготовления термомеханической (ТММ) и химико-термомеханической массы (ХТММ).
Древесную массу получают в процессе истирания древесины на камне (в дефибрере) под атмосферным давлением. Древесину, с которой предварительно удаляют кору, раздревесняют с помощью камня, а затем омывают водой. Так подготовленную массу осушают в гидроциклонах, откуда она попадает в сгустители. На следующем этапе густая древесная масса попадает в чаны на хранение, а циркуляционную воду (образовавшийся фильтрат) направляют обратно в древесномассный цех. В процессе производства древесной массы из перерабатываемой древесины выделяются смолистые вещества, которые легко агломерируются и образуют осадок на дефибрере или внутренних стенах трубопроводов. Они часто приводят к загрязнению поверхности камня, что ухудшает его абразивные свойства. Для борьбы с этими т.н. „смолистыми трудностями” используют разные химические средства. Чаще всего с этой целью применяют диспергаторы, заданием которых является рассеивание образующегося осадка с целью облегчения его удаления. Превосходными диспергаторами, предназначенными для целлюлозно-бумажной промышленности, являются продукты серии ROKAcet и ROKAfenol. Помимо своих диспергирующих способностей, эти продукты можно использовать также в качестве чистящих средств, эмульгаторов и антиэлектростатиков. Продукты серии ROKAfenol идеально подходят для использования в процессах эмульгирования и выведения пятен из бумажной и целлюлозной массы. В свою очередь, ROKAcet R40W – это средство со смягчающими свойствами, которое можно использовать в текстильной, кожевенной и бумажной промышленности.
Улучшением ДДМ является процесс варки термомеханической массы (ТММ). В ходе этого процесса древесную щепу сначала моют для удаления песка, камней и других твердых примесей, затем нагревают паром повышенного давления, а потом распускают массу в дисковой мельнице. На следующем этапе масса попадает в чан, где происходит выпрямление и устранение деформаций, возникших в волокнах. Наконец она попадает в чан на хранение. В целях уменьшения количества вредных смол, образующихся в массе при технологии ТММ, применяют похожие химические средства, как при процессе изготовления классической дефибрерной древесной массы. Таким образом полученную массу используют чаще всего для производства газетной бумаги.
Процесс производства ХТММ сочетает в себе процесс производства ТММ с химической импрегнацией щепы. В первой фазе щепу моют и просеивают, а затем импрегнируют. В зависимости от породы древесины применяют соответствующие растворы химических веществ. Сульфат натрия, как правило, применяют для древесины хвойных пород, а для древесины лиственных пород чаще всего выбирают растворы перекиси. После завершения процесса импрегнации щепу нагревают и смешивают с водой, которая расслабляет связи в лигнине и освобождает волокна. Процесс производства ХТММ позволяет получить чистую волокнистую массу с достаточной прочностью и соответствующими оптическими свойствами. Его используют, в основном, для получения волокнистых компонентов целлюлозно-бумажной массы, которая может служить для производства печатной бумаги и бумаги санитарно-гигиенического назначения.
Флотация и отбеливание
Следующим этапом обработки волокнистой массы является отбеливание в сочетании с механическим удалением загрязнений. В макулатуре, используемой для производства бумаги, наиболее важным параметром является цвет (т.н. оттенок белого, в случае печатной бумаги). Для этого макулатура должна быть тщательно очищена от печатной краски. Основным условием ее удаления является выделение частиц краски из волокон и поддержание их в диспергированном состоянии. Затем раздробленные частицы краски отделяют от суспензии волокон. Чаще всего это происходит по принципу различий между физическими свойствами материалов, такими как, например, удельный вес нежелательных веществ по сравнению с удельным весом волокон и воды. Так как крупные загрязнения, например, металлические элементы (скобы), камни и песок, удаляют уже на этапе роспуска волокнистых полуфабрикатов, очень часто для удаления мелких загрязнений применяют флотационные процессы.
Дополнительным и часто применяемым процессом является отбелка. Ее используют при производстве изделий, требующих высокой чистоты, где пожелтение нежелательно (напр. бумаги для письма и печати). Очень распространенным средством, используемым для отбеливания, является гипохлорит натрия. Его можно использовать также для производства карбометилцеллюлозы (КМЦ) из опилок. В этом процессе применяют также щелочь натрия и хлоруксусную кислоту (MCAA). Отбеливание заключается в применении соответствующих химических веществ, которые добавляют непосредственно в диспергатор для повышения белизны массы. Вид обрабатываемых волокон и желаемые конечные свойства продукта имеют большое влияние на степень отбеливания целлюлозы. Масса, содержащая материалы с высокой плотностью, с трудом поддается отбеливанию и требует применения больших доз химических веществ. Сточные воды из отбеливателей перед возвращением в цикл требуют применения ряда химических веществ, заданием которых является снижение пенообразования, коррозии и способности камнеобразования. Продукты Группы PCC, такие как ROKAmer, идеально подходят для применения в процессах, при которых происходит вспенивание сточных и технологических вод. ROKAmer – это блочные сополимеры окиси этилена и пропилена. Они уменьшают поверхностное напряжение между жидкостью и воздухом, одновременно улучшая „дренаж” пены, что в результате приводит к ее уменьшению.
Финальная обработка бумажной массы
После завершения процессов роспуска, флотации и отбеливания, готовую целлюлозную массу перерабатывают в бумажную массу, которую затем используют для производства бумаги. Этот процесс включает в себя несколько этапов:
- смешивание целлюлозной массы,
- создание дисперсии целлюлозной массы в воде,
- рафинирование,
- добавление необходимых добавок.
Добавки используют для производства целлюлозно-бумажной продукции с особыми свойствами (т.н. специальной бумаги) или для ускорения процесса производства бумаги. Самыми популярными добавками являются:
- смолы и воски для гидрофобизации,
- наполнители, например, глина, тальк и кремнезем,
- неорганические и органические красители,
- неорганические соединения, улучшающие структуру, плотность, яркость и качество (напр. диоксид титана, сульфат кальция и сульфид цинка),
- эмульгаторы и чистящие средства.
Группа PCC предлагает серию продуктов ROKAcet, которые могут выполнять обе эти функции. Благодаря своей структуре, они также могут быть использованы в бумажной промышленности в качестве низкопенящихся и смягчающих средств.
Подвергнутую обработке массу перерабатывают в бумажный продукт на специальных машинах. После окончания процесса бумагу сворачивают в рулон, который должен защищать ее от повреждений и загрязнений. Для упаковки бумаги чаще всего используют ламинат полиэтилен-бумага. Такая упаковка обеспечивает хорошую защиту от механических повреждений, пыли, а также влаги. Огромным преимуществом этого вида упаковки является также и то, что она полностью поддается повторной переработке, благодаря чему может быть использована еще раз.