CC BY
56
УДК 676.274
В. В. Тюрикова, Е. В. Дернова, И. Б. Филиппов
ВЛИЯНИЕ ДОЛИ МАКУЛАТУРЫ В КОМПОЗИЦИИ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ БУМАГИ ДЛЯ ГОФРИРОВАНИЯ ИЗ ПЕРВИЧНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ
Ключевые слова: макулатура, флютинг, композиция, полуцеллюлоза, целлюлоза высокого выхода.
В работе предложен один из вариантов оптимизации композиционного состава бумаги для гофрирования путем частичного замещения первичного волокна на макулатуру. Подтверждена перспективная возможность почти полного исключения из производства бумаги для гофрирования хвойной целлюлозы высокого выхода при обеспечении прочности структуры за счет дополнительной разработки волокон.
Keywords: paper recycling, fluting, composition, semi chemical pulp, high yield pulp.
The paper presents one of the options to optimize the composition of the fluting by partial replacement of virgin fiber to paper recycling. Confirmed promising opportunity almost total exclusion from the production of fluting softwood high yield pulp. The strength of the structure is provided by additional refining of fibers.
Введение
Основная особенность бумаги для гофрирования (флютинга) - высокая структурная жесткость материала, выраженная такими показателями как сопротивление сжатию, жесткость и деформация при растяжении. При этом бумага должна быть «технологичной», т.е. обладать определенным комплексом потребительских свойств,
характеризующих ее способность к переработке и к процессу гофрирования, а именно сохранять эластичность до и после гофрирования, иметь незначительные колебания влажности и толщины в поперечном направлении и по длине полотна [1-10]. Это оказывает влияние и на качество гофрокартона в целом, чему посвящены многие работы [11-13].
Целью настоящей работы было лабораторное моделирование образцов с целью определения оптимальных вариантов композиций флютинга при замещении первичных полуфабрикатов на макулатуру.
Экспериментальная часть
Лабораторные исследования проведены с использованием двух видов вторичного волокна -низкосортной смешанной макулатуры (далее -макулатуры третьего сорта), а также высококачественной макулатуры в виде отходов производства гофрированного картона (далее -макулатура ОСС, old corrugated containers).
Были проработаны различные варианты замещения либо хвойного, либо лиственного волокна на макулатурное. При этом максимальное содержание макулатуры ограничивали на уровне 20 %, с учетом потенциальных возможностей сбора и использования вторичного волокна в композиции первичного флютинга.
Во всех вариантах композиций использованы полуфабрикаты, предварительно размолотые до следующих значений степени помола (СП): ЦВВ -18 °ШР, ПЦ - 24 °ШР, макулатура - 30 °ШР.
В качестве базового варианта композиции флютинга для оценки потенциального изменения уровня различных физико-механических
характеристик ПЦ:ЦВВ=80:20.
принято
соотношение
Результаты и их обсуждение
На первом этапе эксперимента были получены данные о структурно-морфологических
характеристиках волокон исследуемых
полуфабрикатов (табл. 1).
Таблица 1 -полуфабрикатов
Характеристики волокон
Вид образца СП, °ШР Средняя длина, мм Средняя ширина, мкм Средний фактор формы, %
Макулатура третьего сорта 17 30 1,08 1,06 24.4 24.5 91,2 91,5
Макулатура (ОСС) 14 30 1,77 1,53 30,8 31,1 89,2 88,6
Лиственная полуцеллюлоза 14 24 1,06 1,01 29,4 28,7 92,0 91,8
Хвойная ЦВВ 14 18 2,49 2,32 33,7 33,4 88,8 89,0
Установлено существенное различие средней длины волокон макулатуры третьего сорта и макулатуры ОСС, что обусловлено повышенным содержанием в последней длинных хвойных волокон, а также неопределенной степенью цикличности низкосортной макулатуры.
Кроме того, средняя длина волокон макулатуры третьего сорта, их фактор формы и степень дефектности (число изломов) сопоставимы с аналогичными характеристиками лиственного полуфабриката. Отличительной особенностью бытовой макулатуры является низкая средняя ширина волокон, что также может являться следствием нерегулируемой степени цикличности переработки (многократное ороговение и расщепление волокон вдоль оси) и случайным формированием композиции данного вида сырья по породному составу [1, 2, 8, 10].
В таблицах 2 и 3 представлены значения стандартных и дополнительных физико-механических характеристик лабораторных образцов флютинга для всех исследованных вариантов композиций с использованием двух сортов макулатуры. На рисунках 1 и 2 дополнительно проиллюстрированы те же данные в относительных единицах. За 100 % приняты значения соответствующих характеристик базовой композиции флютинга ПЦ:ЦВВ=80:20.
Таблица 2 - Влияние доли макулатуры на стандартные физико-механические
характеристики флютинга
Композиция, % П, кПа йСТ, кН/м СМТ, Н ССТ, кН/м
ПЦ ЦВВ М
Макулатура третьего сорта
80 20 - 419 3,97 207 1,81
80 - 20 393 4,40 234 2,26
60 20 20 403 4,08 207 1,79
80 10 10 368 3,90 205 1,84
70 20 10 389 3,45 171 1,55
Макулатура ОСС
80 20 - 419 3,97 207 1,81
80 - 20 373 4,24 230 1,74
60 20 20 421 3,86 207 1,76
80 10 10 370 3,85 187 1,79
70 20 10 406 4,02 212 1,82
Таблица 3 - Влияние доли макулатуры на характеристики прочности и деформативности образцов флютинга
Композиция, % °р, МПа Е» % Ь, кН/м Еь МПа А» мДж БТ, Дж/м
ПЦ ЦВВ М м
Макулатура третьего щ рта
80 20 - 54,1 2,32 7900 650 4380 176 0,99
80 - 20 47,3 2,02 6950 720 4310 149 0,84
60 20 20 45,5 2,48 6800 560 3690 163 1,09
80 10 10 48,3 2,32 7000 630 4150 162 0,86
70 20 10 48,1 2,44 7250 610 4040 168 0,97
Макулатура ОСС
80 20 - 54,1 2,32 7900 650 4380 176 0,99
80 - 20 49,6 2,16 7350 660 4160 158 1,28
60 20 20 44,8 2,15 6650 580 3850 135 1,07
80 10 10 52,2 2,1 7500 640 4410 146 1,02
70 20 10 52,5 2,25 7550 610 4320 155 1,12
Отметим основные закономерности,
наблюдаемые при замещении первичных волокон в композиции флютинга на вторичные волокна макулатуры третьего сорта.
Сопротивление продавливанию как показатель прочности образцов снижается вне зависимости от замещаемого полуфабриката и от доли вводимого вторичного волокна на 4.. .12 %.
Уровень показателей сопротивления сжатию (йСТ, СМТ, ССТ) при замещении 10 % хвойной ЦВВ макулатурой третьего сорта практически не изменяется, а при полном замещении - возрастает на 11.25 %. Замещение 10 % лиственной ПЦ на
соответствующее количество вторичного волокна вызывает достаточно резкое снижение характеристик йСТ, СМТ и ССТ. Дальнейшее увеличение доли макулатуры в композиции за счет замены 20 % лиственного полуфабриката практически восстанавливает исходный уровень характеристик.
Рис. 1 - Влияние доли и сорта макулатуры в композиции на стандартные физико-механические характеристики лабораторных образцов флютинга: 1 - низкосортная макулатура; 2 - макулатура ОСС
Установленные особенности изменения характеристик сопротивления сжатию флютинга при замещении первичного волокна в композиции, по-видимому, обусловлены суммарным
воздействием композиционного состава макулатуры
с позиций присутствия в ней как лиственных, так и хвойных волокон. Например, указанное выше снижение количества лиственной ПЦ в композиции с 80 до 70 % еще не компенсируется введением вторичного лиственного волокна, присутствующего в составе макулатуры марки МС-5Б. Однако, увеличение доли макулатуры в композиции до 20 %, а, следовательно, и увеличение абсолютного количества вводимого вторичного лиственного волокна приводит к восстановлению способности флютинга к сопротивлению сжатию.
С другой стороны, постепенное замещение хвойной ЦВВ на макулатуру приводит к повышению абсолютного количества лиственного волокна в композиции, и, как следствие, к существенному приросту характеристик
сопротивления сжатию.
Рис. 2 - Влияние доли и сорта макулатуры в композиции на физико-механические
характеристики лабораторных образцов флютинга: 1 - низкосортная макулатура; 2 -макулатура ОСС
Разрывная длина Ь, разрушающее напряжение ср и работа разрушения Ар исследованных образцов изменяются идентично сопротивлению
продавливанию, но с более существенным
отрицательным воздействием добавки макулатуры на прочность структуры при растяжении.
Жесткость образцов при растяжении и начальный модуль упругости как косвенные характеристики жесткости структуры при растяжении в целом изменяются подобно характеристикам сопротивления сжатию флютинга.
Отдельно следует отметить влияние добавки макулатуры в композицию флютинга на его эластичность и трещиностойкость, поскольку, применительно к гофроматериалам, высокий уровень этих показателей обеспечивает получение эластичных гофр и предотвращает растрескивание гофрокартона при его переработке и эксплуатации гофротары.
При рассмотрении вариантов замещения первичного волокна в композиции флютинга на вторичное, с точки зрения присутствия в ней хвойного волокна, установлена достаточно четкая тенденция к последовательному снижению устойчивости структуры образцов к деформированию и к трещиностойкости. Это обусловлено снижением общей доли хвойных волокон в композиции флютинга.
Закономерности влияния добавки макулатуры ОСС в композицию первичного флютинга имеют существенные отличия по сравнению с использованием для тех же целей низкосортной макулатуры, что во многом обусловлено объективными различиями в потенциале свойств вторичных волокон двух исследованных сортов макулатуры. Данное различие демонстрирует рисунок 3, на котором представлены в относительной форме основные характеристики образцов из 100 % макулатуры третьего сорта и 100 % макулатуры ОСС в сопоставлении с уровнем характеристик базовой композиции флютинга ПЦ:ЦВВ=80:20.
В целом установлено, что образцы из 100 % макулатуры ОСС, размолотой до 30 °ШР, по своим прочностным характеристикам существенно превышают не только свойства подобных образцов из низкосортной макулатуры, но и свойства образцов базовой композиции флютинга ПЦ:ЦВВ=80:20. Применительно к последнему случаю прочность образцов из 100 % макулатуры ОСС выше на 20-60 %, в том числе сопротивление продавливанию - на 36 %.
Характеристики сопротивления сжатию образцов из 100 % макулатуры ОСС превышают аналогичные характеристики образцов из низкосортной макулатуры на 25-35 %. С другой стороны, показатели СМТ и 8СТ уступают уровню сопротивления сжатию образцов первичного флютинга (отличие составляет 10 и 4 %), а по уровню ССТ имеют превышение на 11 %. Указанные явления обусловлены высоким содержанием хвойных волокон ЦВВ в составе макулатуры ОСС.
С учетом вышеизложенного влияние добавки макулатуры ОСС в исследуемые композиции может быть оценено со следующих позиций.
Рис. 3 - Влияние вида макулатуры на уровень физико-механических характеристик
Прежде всего, следует отметить практическое сохранение уровня всех стандартных характеристик качества флютинга при замене в базовой композиции лиственной ПЦ. Снижение или повышение значений характеристик составляет не более 3 %.
Основное отличие с позиций оценки дополнительных характеристик при использовании двух видов макулатуры проявилось для показателей, отражающих способность структуры лабораторных образцов флютинга к деформированию при растяжении и трещиностойкость.
Деформация разрушения снижается на 4-7 процентных пунктов при замещении в композиции флютинга лиственной ПЦ и на 8-10 процентных пункта - при замещении хвойной ЦВВ. Это, по-видимому, обусловлено негативным влиянием ороговения волокон при их многократной переработке, что приводит к снижению их гибкости и способности к связеобразованию в структуре.
Трещиностойкость образцов, полученных с использованием макулатуры ОСС, напротив, значительно повышается по отношению к базовому варианту. Особенно это проявляется при полном замещении хвойной ЦВВ, отличающейся, как известно, повышенной грубостью, на более равномерные и разработанные вторичные волокна макулатуры ОСС. Следовательно, количество потенциальных локальных источников зарождения дефектов в структуре становится минимальным.
При замещении лиственных волокон на вторичные прирост трещиностойкости обусловлен повышением доли хвойных, хорошо разработанных волокон в структуре образцов.
Заключение
Таким образом, установлено существенное различие структурно-морфологических
характеристик волокон макулатуры третьего сорта и макулатуры ОСС, что обусловлено повышенным содержанием в последней длинных хвойных волокон, а также неопределенной степенью цикличности низкосортной макулатуры.
Установлено, что образцы из 100 % макулатуры ОСС, размолотой до 30 °ШР, по своим прочностным характеристикам существенно превышают не только свойства подобных образцов из макулатуры 3 сорта, но и свойства образцов базовой композиции флютинга ПЦ:ЦВВ=80:20.
Подтверждена перспективная возможность почти полного исключения из производства флютинга хвойной ЦВВ. При этом прочность структуры может быть обеспечена за счет дополнительной разработки волокон. Кроме того, возможно замещение волокон хвойной ЦВВ в композиции флютинга на низкосортную смешанную макулатуру без ухудшения качества готовой продукции.
Литература
3
Дулькин Д.А., Спиридонов В.А., Комаров В.И., Блинова Л.А. Свойства целлюлозных волокон и их влияние на физико-механические характеристики бумаги и картона / под ред. В.И. Комарова. - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2011. - 176 с.
Яблочкин Н.И., Комаров В.И., Ковернинский И.Н. Макулатура в технологии картона. - Архангельск: Изд-тво АГТУ, 2004. - 252 с.
Дмитриева М.Н., Дьякова Е.В., Дулькин Д. А. Повышение технологичности переработки
макулатурного флютинга при введении в композицию первичного волокна. [Текст] / М.Н. Дмитриева, Е.В. Дьякова, Д.А. Дулькин. - Целлюлоза. Бумага. Картон. -2012. - № 9. - с.58 - 62.
4. Зеленова, С.В. Определение структурно-размерных характеристик целлюлозных волокон в бумажном листе [Текст] / С.В. Зеленова, Я.В. Казаков // Материалы докладов 15-ой Коми республиканской молодёжной научной конференции. - Сыктывкар. - 2004.- Том 1. -С.74-76.
5. Дулькин, Д. А. Мировые тенденции в развитии техники и технологии переработки макулатуры [Текст] / Д.А. Дулькин, И.Н. Ковернинский, В.И. Комаров и др. -Архангельск: Издательство Архангельского государственного технического университета, 2002. -109 с.
6. Karlsson, H. Fibre Guide - Fibre analysis and process applications in the pulp and paper industry [Text] / H. Karlsson. - AB Lorentzen and Wettre, 2006. - 102 p.
7. Heitmann, J.A. Pulp Properties in Pulp and Paper Manufacture [Text] / J.A. Heitmann // TAPPI Journal. -1992. - Nr. 9. - P. 85-96.
8. Дулькин, Д.А. Научные основы переработки макулатуры [Текст] / Д.А. Дулькин, Л.А. Южанинова, В.Г. Миронова, В.А. Спиридонов // ИВУЗ Лесной журнал. - 2005. - №1-2. - С. 104-122.
9. Комаров, В.И. Деформация и разрушение волокнистых целлюлозно-бумажных материалов [Текст] / В.И. Комаров. - Архангельск: Издательство Архангельского
государственного технического университета, 2002. -440 с.
10. Логинова, Т.В. Влияние многократной переработки макулатурного сырья на прочностные показатели тарного картона [Текст] / Т.В. Логинова, Р.А. Евлахова, В.А. Волков и др. // Теория и технология производства бумажно-картонной продукции из вторичного волокнистого сырья. Научные труды. - Караваево: Издательство "Правда". - 2004. - С. 102-113.
11. Мусина Л.Р. Практические решения повышения физико-механических и барьерных свойств целлюлозно-бумажного материла с применением полимерного
покрытия // Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2011. - № 2. - С. 86-90.
12. Мусина Л.Р. Условия достижения высоких показателей механической прочности целлюлозно-бумажных материалов / Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов // Вестник Каз. технол. ун-та. - 2011. - № 5. - С. 44-46.
13. Мусина Л.Р. Изучение свойств упрочненного картона как основного компонента гофрокартона / Л.Р. Мусина, М.Ф. Галиханов // Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2012. -№ 9. - С. 64-66.
© В. В. Тюрикова - аспирант кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, [email protected]; Е. В. Дернова - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства, институт естественных наук и технологий, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, [email protected]; И. Б. Филиппов - кандидат технических наук, доцент, главный технолог ОАО «Архангельский ЦБК», [email protected].
© V. V. Tyurikova - postgraduate student of the department of technology of pulp and paper production, the Northern (Arctic) Federal University named after MV Lomonosov, [email protected]; E. V. Dernova - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of technology of pulp and paper production, Institute of Natural Sciences and Technology, Northern (Arctic) Federal University named after MV Lomonosov, [email protected]; I. B. Filippov - candidate of technical sciences, associate professor, chief technologist of JSC "Arkhangelsk PPM», [email protected].
