|
 |
SUROWCE WŁÓKNISTE DO WYTWARZANIA WYROBÓW PAPIEROWYCH | | | 1. WSTĘP
Wyroby papierowe są wyrobami włóknistymi. Ich głównym składnikiem są włókna, najczęściej celulozowe.
Celuloza jest naturalnym związkiem wielkocząsteczkowym tzn. występującym w przyrodzie. Jest ona budulcem, z którego wykonane są tkanki roślinne. W zależności od charakteru rośliny. budowy ich tkanek, rośliny mogą zawierać nawet ok. 50% celulozy. Do wytworzenia wyrobu papierowego potrzebne są takie rośliny, w których celuloza tworzy włókna. Włókna takie wykorzystywane są też w przemyśle włókienniczym dla wytwarzania tkanin. Są to włókna bawełniane, lniane, konopne itp. Dla przemysłu włókienniczego włókna takich roślin powinny mieć długość co najmniej kilkunastu milimetrów. Dla papiernictwa długość włókien nie powinna być większa niż 5 mm. W papiernictwie mogą więc być stosowane odpady włókiennicze: kurze bawełniany, tzw. lintersy o włóknach długości 3-5 mm i inne, a także szmaty z włókien roślinnych.
Szmaty, do niedawna bardzo popularny surowiec papierniczy, obecnie wykorzystywany jest w minimalnym stopniu ze względu na obecność pewnych ilości niedopuszczalnych dla papiernictwa włókien syntetycznych.
Włókna z włóknistych roślin często przed użyciem muszą być skrócone. Skracanie włókien wykonywane jest w procesie zwanym przez papierników mieleniem. | | |
 Rys.1.1. Długość włókien w skali 1:1 a) bardzo długie dla włókiennictwa, b) krótkie dla włókiennictwa, c) włókno długie dla papiernictwa, d) włókno krótkie dla papiernictwa | | Z włókien roślinnych otrzymuje się najdoskonalszy surowiec papierniczy zwany masami długowłóknistymi. Jest to zarazem najdroższy surowiec. Obecnie masy długowłókniste stosuje się wyjątkowo dla najlepszych papierów przeznaczonych do luksusowych zastosowań.
Wyroby papierowe są wyrobem masowym. Potrzebne są do ich produkcji duże ilości włókien celulozowych. Surowcem roślinnym zawierającym największe ilości celulozy jest drewno. Zawiera ono więcej niż 40% przydatnej w papiernictwie celulozy. Nieco mniej, ok. 35% celulozy zawiera słoma i trzcina. Te surowce roślinne, szczególnie drewno, mają największe znaczenie dla papierników. 2. SUROWCE WŁÓKNISTE OTRZYMYWANE Z DREWNA Drewno, podobnie jak inne rośliny, zbudowane jest z komórek. Ścianki tych komórek są wytworzone głównie z celulozy. W drewnie występują wydłużone komórki o długości 1-5 mm, które po odpowiednim przetworzeniu stanowią włókna przydatne do wytworzenia wyrobów papierowych. W różnych gatunkach drewna występują komórki o różnej średniej długości. Największą długość komórek ma drewno iglaste: sosna, świerk, jodła. Długość komórek dochodzi u nich do 5 mm, średnio wynosi więcej niż 3 mm. W drewnie liściastym komórki te są znacznie krótsze. Długość ich dochodzi do 2 mm, a średnio wynosi ok. 1 mm.
Z drewna wytwarzane są trzy rodzaje surowców włóknistych: Z mas celulozowych otrzymuje się wyroby papierowe bezdrzewne, z mas mechanicznych - wyroby papierowe drzewne. Z mas półchemicznych otrzymuje się wyroby półdrzewne. W zależności od sposobu prowadzenia procesu otrzymywania mas półchemicznych można otrzymać masy bardziej lub mniej oczyszczone, które można też zaliczyć do mas bezdrzewnych lub drzewnych. 3. SKŁAD I BUDOWA DREWNA Drewno oprócz wody, zawiera cztery liczące się składniki: celulozę hemicelulozę ligninę inne
Ich przybliżona zawartość przedstawiona jest poniżej: | |
 Rys 1.2. Przybliżony skład chemiczny drewna | | Oprócz celulozy w drewnie występuje drugi związek chemiczny o podobnej nazwie: hemiceluloza czyli po polsku półceluloza ("hemi" z greckiego oznacza pół). Hemiceluloza jest celulozą o "niedokończonej" budowie cząsteczek. Jest ona również budulcem komórek roślin, ale o mniej doskonałych właściwościach niż celuloza.
Lignina jest skomplikowanym związkiem chemicznym odgrywającym rolę kleju pomiędzy poszczególnymi komórkami, włóknami celulozowymi. Dla rozwłóknienia drewna, w celu uzyskania osobnych pojedynczych włókien, trzeba pozbyć się ligniny albo też na tyle ją zmiękczyć, aby możliwe było porozdzielanie poszczególnych włókien.
Inne składniki stanowią różne związki chemiczne. Wpływają one w małym stopniu na proces wytwarzania wyrobów papierowych. | |
 Rys.1.3. Schemat budowy drewna. Komórki drewna tworzące włókna celulozowe są silnie powiązane ligniną (a). Po zmiękczeniu (b) włókna celulozowe są powiązane ligniną znacznie słabiej. Po pozbyciu się ligniny włókna celulozowe (c) są nie powiązane | | 4. WYTWARZANIE MAS CELULOZOWYCH Masy celulozowe są czystymi włóknami celulozowymi. Aby uzyskać takie włókna trzeba się pozbyć hemiceluloz oraz ligniny. Najważniejsze jest pozbycie się lignin. Gdy pozbędziemy się lignin, każde włókno celulozowe z hemicelulozą nie będzie powiązane z innymi włóknami. Można je więc wydzielić jako osobne włókno.
Jednak pozbycie się ligniny jest bardzo trudne. Lignina nie jest rozpuszczalna. Trzeba ją usunąć przez roztworzenie chemiczne. Dla uzyskania tego trzeba przeprowadzić odpowiednio silne reakcje chemiczne w odpowiednich roztworach wodnych. Najpierw drewno kroi się na kawałki. Następnie nasyca się je roztworami wodnymi i gotuje. Lignina ulega roztworzeniu i rozpuszczeniu. Bardzo agresywne środowisko, w którym następuje rozpuszczenie ligniny powoduje również rozpuszczenie hemiceluloz. Jednak również występują pewne niekorzystne przemiany w samej celulozie. Niestety nie mamy na to wpływu. Te niekorzystne przemiany muszą być jednak stosunkowo niewielkie. Pozostała celuloza musi być dobrym surowcem papierniczym. 5. SPOSOBY WYTWARZANIA MAS CELULOZOWYCH Stosowane są głównie dwa sposoby wytwarzania mas celulozowych: Nazwy te pochodzą od substancji, w roztworach których prowadzone jest usunięcie ligniny.
W sposobie siarczanowym substancją tą jest siarczan sodu. Dawniej w sposobie tym stosowano ług sodowy. Stąd dawna nazwa tego sposobu: natronowy lub sodowy.
W sposobie siarczynowym substancją, w której następuje usunięcie ligniny są sole kwasu siarkowego - siarczyny sodu i innych metali. | |
 Rys.1.4. Sposoby otrzymywania mas celulozowych | | 6. BIELENIE MAS CELULOZOWYCH Masy celulozowe otrzymane sposobem siarczanowym lub siarczynowym mają barwę żółtawą do brązowawej. Dla większości zastosowań tych mas barwa włókien powinna być w jak największym stopniu biała. Masy te muszą ulec bieleniu.
Jedynie masy celulozowe siarczanowe przeznaczone do wykonywania bardzo wytrzymałych wyrobów papierowych np. papierów pakowych nie są bielone. W wielu językach takie masy nazywane są "kraft". Czasem ta nazwa jest używana również w języku polskim.
Dawniej bielenie mas celulozowych wykonywano przy użyciu chloru gazowego (cząsteczkowego). Przy bieleniu chlorem gazowym wytwarzają się bardzo szkodliwe toksyny. Powoduje to znaczne zanieczyszczenie środowiska. Wobec tego obecnie stosuje się technologie bielenia bez użycia chloru gazowego. Znane są one jako skróty angielskich określeń: ECF (Elementary Chlorine Free) - bez stosowania chloru gazowego, TCF (Total Chlorine Free) - bez stosowania chloru i jego związków.
Obydwie te technologie bielenia są obecnie dopuszczone do stosowania jako mało szkodliwe ekologicznie. Bielenie ECF przeprowadza się przy użyciu głównie dwutlenku chloru, TCF - nadtlenku wodoru.
Technologie bielenia ECF i TCF nie dają wiele lepszych rezultatów odbielania włókien celulozowych niż bielenie chlorem gazowym. | |
 Rys.1.5. Technologie bielenia mas celulozowych | | 7. MASY MECHANICZNE Masy mechaniczne otrzymuje się przez rozwłóknienie drewna w ścierakach lub w młynach tarczowych. Drewno przed rozwłóknieniem jest odpowiednio przygotowywane. Przygotowanie drewna polega co najmniej na jego moczeniu w wodzie. Moczenie w wodzie powoduje zmniejszenie sił połączenia włókien celulozowych przez ligniny. Woda "zmiękcza" ligniny. Podczas ścierania w ścierakach można uzyskać rozdzielenie włókien z drewna.
Jednak moczenie w wodzie nie powoduje znacznego "zmiękczenia" lignin. Przy ścieraniu następuje dość duże uszkodzenie, poszarpanie, rozrywanie, miażdżenie włókien celulozowych. Masy mechaniczne w ten sposób uzyskane jakościowo znacznie odbiegają od mas celulozowych. Zwane są one ścierem, ścierem białym lub ścierem klasycznym i oznacza symbolem SDW od pierwszych liter nazwy w języku angielskim.
Dla większego "rozmiękczenia" lignin stosuje się ścieranie drewna w gorącej wodzie pod zwiększonym ciśnieniem (ścier ciśnieniowy - PGW), parowanie w temperaturze powyżej 100oC (masa termomechaniczna - TMP), nasycanie drewna roztworami chemikaliów (masa chemomechaniczna - CMP), jednoczesne parowanie i nasycanie drewna roztworami chemikaliów (masa chemotermomechaniczna - CTMP) oraz inne odmiany tych sposobów.
Stosując bardziej skomplikowane warunki przygotowania drewna uzyskuje się większe "zmiękczenie" lignin i mniejsze uszkodzenie włókien. Tym samym uzyskuje się lepszą jakość mas mechanicznych. Najnowsze technologie przygotowania drewna do rozwłókniania umożliwiają uzyskanie włókien celulozowych w masie mechanicznej o zbliżonych właściwościach jak w masach celulozowych. Jednak ze względu na obecność w masach mechanicznych hemiceluloz i lignin ogólnie ich jakość jest gorsza niż jakość mas celulozowych.
Przy wytwarzaniu mas mechanicznych uzyskuje się wydajność 90% i więcej masy mechanicznej w stosunku do użytego drewna. Przy wytwarzaniu mas celulozowych uzyskuje się wydajność ok. 50%. Masy mechaniczne są więc tańsze niż masy celulozowe. Cena mas mechanicznych zależy od zastosowanej technologii ich wykonywania. Im technologia ta jest bardziej skomplikowana tym masa mechaniczna jest droższa. | |
 Rys.1.6.Różne sposoby przygotowywania drewna do rozwłókniania mechanicznego | | 8. BIELENIE MAS MECHANICZNYCH Masy mechaniczne mają barwę żółtawą do brązowawej. Dla zmniejszenia ich zażółcenia wykonuje się bielenie. Do bielenia mas mechanicznych nie stosowano i nie stosuje się chloru. Dlatego oznaczenia ECF, TCF nie są dla nich stosowane.
Po bieleniu masy mechaniczne nie są nigdy tak białe jak bielone masy celulozowe. Mają odcień lekko żółtawy i ulegają dość szybko dalszemu zażółceniu. Jest to spowodowane obecnością lignin. 9. MASY PÓŁCHEMICZNE Przy produkcji mas półchemicznych wykorzystuje się zarówno usunięcie przez roztworzenie chemiczne lignin, jak i mechaniczne rozwłóknienie drewna. Technologie stosowane do chemicznego roztworzenia lignin są mniej agresywne niż przy otrzymywaniu mas celulozowych. Wskutek tego część lignin pozostaje w masie. Częściowe usunięcie lignin ułatwia rozwłóknienie drewna. Na skutek tego przy mechanicznym rozwłóknianiu nie następuje nadmierne uszkodzenie włókien.
Masy półchemiczne mają więc właściwości pośrednie między masami celulozowymi, a mechanicznymi. Istnieje wiele odmian technologii otrzymywania mas półchemicznych. przy stosowaniu niektórych z nich roztworzenie lignin jest znaczne. Otrzymane masy półchemiczne mają właściwości zbliżone do właściwości mas celulozowych. Inne technologie w małym stopniu roztwarzają ligniny. Masy mają wtedy właściwości zbliżone do właściwości mas mechanicznych.
Masy półchemiczne mają barwę żółtawą do brązowawej. Przeważnie wykorzystuje się je do wytwarzania wyrobów papierowych o takiej właśnie barwie. Rzadko więc ulegają one bieleniu. Do ich bielenia nie stosuje się chloru. | |
 Rys.1.7. Roztworzenie lignin w różnych rodzajach mas włóknistych | | 10. MASY MAKULATUROWE Masy otrzymywane z makulatury mają właściwości zależne od jakości makulatury.
Najlepszą makulaturą jest tzw. odpad własny, zwany też brakiem własnym. W odpadzie własnym są wyroby papierowe stanowiące odpad przy ich produkcji. Odpad własny przy powtórnym przerobie ulega wyłącznie bardzo łatwemu rozwłóknianiu. Jakość mas z odpadów własnych nie odbiega w istotnym stopniu od jakości innych rodzajów mas włóknistych.
Makulatury stanowiące zwroty z wydawnictw, zakładów produkcyjnych przetwarzających wyroby papierowe są najczęściej zadrukowane, ale dość jednolite pod względem składu surowcowego. Nazwiemy ją makulaturą przemysłową.
Makulatury powracające od konsumentów są zadrukowane, często zanieczyszczone, niejednolite pod względem składu surowcowego. Nazwiemy ją makulaturą pokonsumencką.
Mogą one podlegać, w zależności od potrzeb, sortowaniu surowca, oczyszczaniu z zanieczyszczeń, sortowaniu masy makulaturowej, odbarwianiu zwanym też myciem, bieleniu.
Ogólnie masy makulaturowe są jakościowo gorsze od mas otrzymanych z surowców powtórnie nieprzetwarzanych. | |
 Rys.1.8. Jakość różnych rodzajów makulatury | | 11. MIELENIE MAS WŁÓKNISTYCH Otrzymywane masy włókniste nie mają jeszcze optymalnych właściwości. Podlegają one procesowi mielenia. W pierwszym punkcie niniejszego rozdziału napisano, że przy mieleniu następuje skracanie włókien. Jest to bardzo ważne dla jakości wyrobu papierowego. W masie papierniczej nie powinno być włókien zbyt długich, które przeszkadzałyby w prawidłowym formowaniu wstęgi wyrobu papierowego.
Podczas mielenia zachodzą też inne zmiany właściwości włókien. Zwiększa się giętkość i plastyczność oraz powierzchnia włókien. Dzięki temu można uzyskać bardziej równomierne właściwości wyrobu papierowego i - co chyba najważniejsze - większą siłę powiązania między sobą poszczególnych włókien.
Prawidłowo przeprowadzone procesy mielenia pozwalają na osiągnięcie optymalnych właściwości wyrobu papierowego. | |
 Rys.1.9. Wpływ mielenia na jakość wyrobu papierowego |
|
|
|
 |
