О стали

Механический и химический способы получение целлюлозы. Как промышленно производится бумага

Получение целлюлозы и ее дальнейшая обработка

Один из главных этапов изготовления бумаги и картона — получение волокон целлюлозы и ее дальнейшая обработка. От данного этапа зависит, какого качества и какой стоимости будут получаемые изделия.

Всего существует два способа получения целлюлозы:

• механический
• химический.

Содержание

• Получение целлюлозы механическим способом
• Получение целлюлозы химическим способом
• Отбелка целлюлозы
• «Вторичное» волокно для производства
• Иные виды сырья в изотовлении картона
• Мелование
• Проклейка
• Добавки, облегчающие получения целлюлозы
• Каталог продукции из гофрокартона

Переработка и утилизация

Макулатура является ценным вторсырьем, поскольку состоит из бумажного волокна. В ходе многоступенчатой переработки волокно отделяется от примесей и проходит глубокую очистку. После этого целлюлоза снова может быть использована в качестве сырья для производства новой бумаги и бумажных изделий.

Такая переработка может проводиться несколько раз — до тех пор, пока волокно не станет таким мелким, что перестанет представлять какую-то ценность. В этом случае бумажные отходы направляются на конечную утилизацию.

Интересный факт: Вы когда-нибудь задумывались, сколько бумаги ежегодно расходует средний менеджер, бухгалтер или юрист. По оценкам экологов каждый офисный работник за год расходует такое количество бумаги, на производство которого требуется порядка 17 взрослых деревьев!

Теперь, когда вы знаете о производстве бумаги больше, наверняка захотите сдать имеющиеся у вас бумажные отходы на вторичную переработку, а компания «Корона», в свою очередь, позаботится, чтобы вторсырье было использовано максимально эффективно.

Оборудование

Для производства бумаги на современных комбинатах используются бумагоделательные машины четвертого поколения. Это оборудование с полностью автоматизированным управлением, выполняющее полный цикл операций. В ходе непрерывной работы этих функциональных линий из волокнистой суспензии получается высококачественный картон или бумага с заданными характеристиками.

Различают два вида бумагоделательных линий:

• столового типа с плоской сеткой;
• цилиндровые с круглой сеткой

Наибольшее распространение получили машины второго типа, поскольку они более универсальны и подходят для изготовления бумаги всех популярных видов.

Сама линия состоит из четырех секций, каждая из которых отвечает за свой этап технологического процесса:

1. Сеточная часть, куда изначально подается суспензия и где формируется бумажное полотно;

2. Прессовая секция для удаления излишней влаги и повышения плотности бумаги;

3. Сушильный блок из нескольких обогреваемых паром цилиндров;

4. Отделочная секция, где бумага приобретает необходимую гладкость и сматывается в рулоны

Какие виды бумаги существуют?

Используя разные методы обработки сырья, производители получают разные типы бумаги. Самые распространенные виды бумаги:

• для письма;
• для печати на принтере;
• чертежно-рисовальная;
• впитывающая;
• оберточная.

Все виды бумаги различаются своими физическими свойствами. Среди них можно выделить толщину, пористость, непрозрачность, гладкость и так далее. От всех этих параметров зависит то, насколько хорошо на бумаге будут держаться чернила, выглядеть напечатанные изображения и так далее. Чем лучше качество бумаги, тем дороже она стоит.

Бумага может обладать разными свойствами

Компоненты для изготовления бумаги

Как уже было отмечено выше, основными компонентами для изготовления бумаги является древесная целлюлоза, вода и химические реагенты. Волокна целлюлозы получают из методом измельчения из древесины сосны, ели, березы, тополя и других пород. Реже (для изготовления особых сортов бумаги) используется целлюлоза из хлопка.

Для изготовления газетной бумаги, упаковочного картона, втулок, шпуль, кассет для яиц и прочей низкосортной продукции используют макулатуру. В результате переработки из вторсырья выделяют волокна целлюлозы, которые подвергают очистке от примесей и отбеливанию.

В качестве наполнителей и связующих элементов производители используют химические составы. Так, для улучшения влагостойкости и снижения расхода краски в волокнистую массу добавляют проклеивающие вещества — чаще это сульфат алюминия или канифоль. Эти компоненты достаточно вредные, поэтому современные комбинаты отказываются от их использования в пользу нейтральных наполнителей.

Для повышения гладкости и плотности в бумажное сырье добавляют каолин — это нейтральное с химической точки зрения вещество, поэтому его использование считается безопасным. Для этих же целей используют и карбонат кальция (мел), но он применяется только в паре с синтетическими склевающими веществами.

Для придания бумаге цвета и белизны используют красящие составы органического и неорганического происхождения.

Чтобы снизить прозрачность, в бумажную массу добавляют двуокись титана — этот безвредный оксид имеет белый цвет и также используется в качестве красящего пигмента. Присутствие в составе бумаги диоксида титана повышает стойкость к воздействию ультрафиолетовых лучей, бумага не желтеет и длительное время сохраняет прочность.

Плоскосеточная машина.

Также по теме:ЦЕЛЛЮЛОЗА

Секция отлива бумажного полотна плоскосеточной машины представляет собой натянутую равномерную проволочную сетку длиной 15 м и более. Взвешенные в воде волокна (с концентрацией примерно 0,5% от твердой бумажной массы) наливаются на переднюю часть движущейся сетки через устройство, называемое напорным ящиком. Большая часть воды дренирует через сетку в процессе ее движения, а волокна сбиваются в слабое влажное полотно. Это полотно перемещается шерстяными сукнами между несколькими наборами валов, которые отжимают воду. Секция прессов с отсасывающими ящиками, сеткой и ее несущими компонентами составляет мокрое отделение машины. После этого полотно бумаги поступает в сушильную часть бумагоделательной машины.

Обычное сушильное устройство состоит из ряда полых цилиндров диаметром ~1,2 м, которые нагреваются изнутри паром. Каждый сушильный цилиндр обтянут толстым грубым сукном, обеспечивающим сушку и перенос влажного полотна к очередному цилиндру; воды удаляется все больше, пока не останется 5–10%. После этого бумажное полотно поступает в отделочную часть. Здесь один или несколько каландров гладят бумагу; каландры представляют собой вертикальный ряд валов из отбеленного чугуна. Полотно направляется в просвет-зажим между верхними двумя валами и пропускается через каждый просвет до самого низа. При движении между валами сверху вниз полотно становится более гладким, плотным и равномерным по толщине. Затем полотно разрезается на полосы нужной ширины и наматывается в рулоны. Рулоны направляются в типографию, на перерабатывающее предприятие или в другое отделение того же завода для мелования, разрезания на листы или переработки в другой продукт. Ширина плоскосеточной машины может составлять от 30 до 760 см. Рабочая скорость достигает 900 м/мин. Имеется разновидность плоскосеточной машины, где полотно высушивается на нагретом тщательно полированном валу диаметром 3–3,6 м. Эта машина предназначена специально для изготовления папиросной бумаги.

Процесс получения целлюлозы

Целлюлозу получают из чистой древесины и макулатуры.

Волокна целлюлозы получают из так называемой древесной волокнистой массы. Целлюлозные волокна в древесине связаны между собой жестким трехмерным полимером — лигнином, занимающим до 30% древесной массы.

Поэтому для получения целлюлозы древесину специально обрабатывают — чтобы размягчить лигнин и снизить его содержание.

Обычно для этих целей применяются два вида методов:

Механическиё метод

При механическом получении древесной массы древесину, как правило, истирают или размалывают в водной среде. Под действием воды, тепла и специальных реагентов лигнин размягчается, и древесина распадается на отдельные волокна.

«Механическую» схему получения волокон целлюлозы можно описать примерно так. Промытая древесная щепа помещается в специальный рафинер, где измельчается и обрабатывается.

После очистки древесная масса готова для дальнейшей обработки. Поскольку, несмотря  на обработку, лигнин не удаляется полностью, выход древесной массы получается высоким.

Наличие лигнина на поверхности и внутри волокон увеличивает их твердость и жесткость, а также придает им сравнительно стабильный размер.

Листы, полученные из «механической» древесной массы, имеют высокую пухлость и низкую плотность, то есть достаточно низкую массу единицы площади для данной толщины.

Это очень важно, поскольку отражается на технических и «экономических» показателях материала.

Обратите внимание:

Наша компания занимается производством гофрокартона и упаковки из него. Также мы реализуем коробки из гофрокартона, микрогофрокартон и упаковочные материалы.

Химический метод

В случае если древесная щепа до получения древесной массы нагревается, получаемый продукт именуют ТММ — термохимической древесной массой (или ТМР, Termomechanical Pulp).

Если для удаления лигнина применяется химическая обработка, то продукт получает название химико — термомеханической массы (ХТММ).

Древесная масса, приготовленная механическим способом, сохраняет исходный цвет древесины, химико-термомеханическая масса немного светлее. Если масса дополнительно была еще и отбелена, то ее называют беленой химико-термомеханической массой (БХТММ).

Другая не менее известная технология — сульфитная варка целлюлозы. В обоих случаях нецеллюлозные компоненты, извлеченные из древесины, используются на целлюлозно-бумажных комбинатах как источник энергии или для других целей.

Общий объем получаемой химическим способом целлюлозы зависит от способа варки, а так же от вида древесины. «Выход» сырья может составлять от 40 до 65%. Конечно, это ниже, чем для древесной механической древесины, поскольку при варке из древесины удаляются не целлюлозные вещества. При этом объемы изготовления не снижаются.

Однако в этом есть и свои плюсы — бумагообразующие свойства волокон тем самым улучшаются.

Обратите внимание:

Средняя длина волокна при химических способах получения полуфабрикатов из одной и той же древесины получается больше, чем при механических.

Волокна также становятся гибче. Все это обеспечивает получение более прочного и гибкого листа.

Отбелка целлюлозы

Поскольку после варки древесины целлюлоза приобретает коричневый цвет, ее необходимо отбеливать.

Целлюлоза обычно отбеливается путем удаления остаточного лигнина и других компонентов древесины. Чистые целлюлозные волокна обычно бесцветны и прозрачны, а сама беленая целлюлоза имеет красивый белый оттенок.

Учитывая, что для многих пищевых продуктов — чая, масла, шоколада, табака, — необходима чистая, не содержащая посторонних запахов и примесей целлюлоза, это очень важное свойство.

В прежние времена, еще до 1980-х годов, целлюлоза отбеливалась исключительно хлором или его соединениями. Это вызывало немало нареканий со стороны экологов, поскольку молекулярный хлор, взаимодействуя с лигнином, образовывал токсичные хлора — содержащие соединения. Они не редко попадали в сточные воды и отравляли окружающую среду. В современных процессах отбелки молекулярный хлор не применяется — его заменяет кислород, перекись водорода и диоксид хлора.

Побочные продукты такой отбелки безвредны.

Беленая целлюлоза обладает высокой стойкостью к воздействию света. Под его действием она лишь слегка желтеет.

Критерии качества

Плотность. Одна из ключевых характеристик бумаги, которая выражается в виде массы одного квадратного метра полотна. Плотность мелованной бумаги обычно находится в диапазоне от 70 до 300 граммов на квадратный метр. Для оргтехники оптимальным вариантом является бумага плотностью 80 г/м2.

Белизна. Этот качественный (визуальный) показатель указывает на приближенность цвета листа к эталонному белому цвету. Особенно важна эта характеристика для типографской бумаги, ведь чем ближе образец к эталону, тем точнее цветопередача при печати продукции.

Толщина. Этот параметр измеряется в микронах или десятых (сотых) долях миллиметров. Чем толще лист, тем он менее прозрачен. Для офисной бумаг среднего качества оптимальной толщиной считается 104-106 мкм.

Жесткость — ключевой показатель сопротивления бумаги деформации при прохождении через копировальный аппарат. Чем жестче лист, тем лучше он проходит через валики и ниже вероятность его застревания.

Гладкость / Шероховатость. Так называемая геометрия поверхности бумажного листа определяется по присутствующим на нем макро- и микронеровностям. Они отвечают не только за шероховатость и гладкость поверхности, но и за равномерность распределения массы по площади.

Непрозрачность — это показатель того, как бумага препятствует просвечиванию напечатанного изображения на оборотную сторону листа. Этот параметр  особенно важен при двусторонней печати.

Прочность на разрыв и излом — наиболее важные прочностные характеристики бумаги. 

«Вторичное» волокно

В качестве сырья для получения волокон целлюлозы может использоваться не только «чистая древесины», но и «отработанная» бумага — макулатура.

Отходы сортируют и превращают в макулатурную массу путем механической обработки в воде. После гидро — разбивателя, где бумажная масса распускается, сырье очищается и отправляется в картоноделательную машину.

В зависимости от природы исходного сырья, степени его обработки и переработки вторичное волокно может обладать различными свойствами.

Обратите внимание:

Следует помнить, что всякий раз при переработке бумаги средняя длина волокна и способность к образованию межволоконных связей уменьшается. Кроме того, некоторые виды картона и бумаги изначально не подлежат вторичной переработке. Все это делает необходимым поступление на рынок волокна, полученного непосредственно из древесины. Иначе качество бумажного продукта будет снижаться.

В зависимости от вида и источника макулатуры существует много сортов макулатурного сырья. Они отличаются качеством и степенью пригодности для повторного использования.

Например:

• самое дорогое сырье — это белая бумага, не содержащая древесной массы.

• газетно-журнальная бумага обладает средней стоимостью и качеством.

• самая дешевая — смешанная макулатура, содержащая бумагу и картон.

Всего же, к примеру, в европейском отраслевом перечне описывается 57 видов макулатурного сырья. Подобные же перечни имеются в США, Японии и других развитых странах.

Исходя из назначения и требований к продукции, некоторые виды картона изготавливаются целиком из макулатурной массы — либо ее содержание в изделиях высоко. Другие же изделия изготавливают только из высококачественного первичного волокна — целлюлозы либо ее смеси с древесной массой.

Производство на заводе

Начинается процесс обработки древесины с окорения, то есть избавления от коры. Бревна загружают в специальный барабан, который имеет грубую поверхность с выступлениями. Одна партия крутится в нем около 20 минут, после чего кору сжигают.

Окоренная древесина перекладывается на конвейер, по которому она попадает в специальные пилы, измельчающие её до примерно одинаковых фрагментов, называемые щепой. Щепа может хранится долгое время.

Процесс обработки щепы начинается с промывки. После чего она измельчается в труху. Затем она подвергается щелочной обработке. Происходит это в больших чанах с водой и химикатами, в которых вариться длительное время. Это делают для разрушения связи между волокнами целлюлозы, которые представляют собой своеобразный природный клей. Всю смесь фильтруют и тщательно промывают. После чего в нее добавляют различные наполнители, пропитки, красители. Вещества зависят от типа будущей бумаги.

В результате получается готовая целлюлозная смесь, которая состоит на 99% из воды. Полученную массу подают в бумагоделательную машину. В первую очередь целлюлозная смесь попадает на движущуюся сетку с очень мелкими ячейками, которые пропускают только воду. После чего влажное бумажное полотно попадает на ленту из войлока, дальше на цилиндрические прессы, в результате чего количество воды значительно уменьшается.

Следующий этап, после которого воды остается всего несколько процентов, это сушка. Полотно прогоняют по нагретым крутящимся барабанам, благодаря чему выделяется большое количество влаги и масса сохнет.

Время заключительного процесса производства бумаги. Она поступает на нагретые и отполированные тяжелые валы, которые называются каландры. Между ними бумажный пласт сдавливается с большой силой, в результате чего она становится окончательно сухой и гладкой.

Дальше бумагу скручивают в большие рулоны, например рулоны для приготовления листов А4 имеют массу около 35 тонн и в нем будет 50 километров бумаги. Для того чтобы сделать офисную бумагу катушки разрезают на более мелкие и отправляют на бумагорезательные устройства. На этих автоматизированных устройствах, производство достигает скорости в 55 000 листов в минуту. А за час такая фабрика производит около 7000 упаковок.

Технология

Бумага может производиться с применением  механического, либо химического метода. Вначале необходимо получить целлюлозу. В механическом процессе древесину (или отходы) сначала подают в барабаны, где удаляется кора. Затем сырьё отправляется на шлифовальные машины, которые выполняют размол сырья, при котором из древесины  удаляется влага. Для этого материал сжимается между вращающимися валками. Одновременно целлюлоза отделяется от посторонних предметов.

В химическом процессе древесная щепа из необработанных бревен обрабатывается при высоких температурах в химическом растворе. Это делается в огромных чанах, называемых регенераторами. Заготовки  подаются в варочный котел, где кипятятся, постепенно растворяясь  под высоким давлением в растворе гидроксида и сульфида натрия. Образующуюся термомеханическую массу пропускают через фильтры. На этом этапе может быть добавлен отбеливатель краска или усилители (для приготовления упаковочной или крафт-бумаги).

Готовую целлюлозу подвергают  колотированию и сжатию внутри большой ванны, снабжённой  подвижными выступами. В этот момент к полуфабрикату добавляют необходимые наполнители. Эти добавки будут влиять на непрозрачность и другие качества конечного продукта.

Очередным этапом получения бумаги является калибровка, при которой продукту придаются необходимые адсорбирующие свойства, в частности,. В результате продукт получает устойчивость от воздействия чернил, паст, полиграфических красителей. Бумага, для которой необходим печатный дизайн, например, подарочная упаковка, требует особой технологии калибровки и сушки.

В автоматизированных машинах бумага производится так. Целлюлоза подается на движущейся ленте, постепенно  сжимаясь последовательно расположенными роликами.  Одновременно всасывающие устройства отжимают воду. Для формирования на полотне бумаги водяных знаков по листу целлюлозы передвигают специальную каретку с нужными оттисками. Затем бумага перемещается на прессовую секцию машины, где она сжимается между валиками из войлока. Далее продукт  пропускают через ряд паровых нагревателей, чтобы удалить оставшуюся воду. Заключительной стадией техпроцесса является отбеливание. Высушенная бумага наматывается в большие рулоны, сглаживается и уплотняется, проходя через металлические ролики, называемые каландрами. Они придают продукту определенную финишную форму, мягкую, тусклую или твердую, блестящую. Здесь бумага может получить покрытие в виде химикатов или пигментов. Затем бумага прокатывается через гладкие календарные ролики и обрезается до нужного размера.

Виды и стоимость сырья, которое необходимо для получения различных сортов бумаги и картона, представлены в таблице:

Вид	Процентное соотношение	Цена, руб.
Макулатура	43	1…10 за 1 кг
Сульфатная целлюлоза	36	35000…38000 за 1 т
Древесная масса	12	750…900 за м3
Сульфитная целлюлоза	3	55000…58000 за 1 т
Полианионная целлюлоза	3	160…180 за 1 кг
Текстильные отходы	3	60…80 за 1 кг

Чем бумага для принтера отличается от обычной?

Одним из самых дорогих видов бумажной продукции считается бумага для печати. Она гораздо белее обычной бумаги и имеет плотность не менее 80 г/м2 — эта особенность обычно указывается на упаковке. Благодаря высокой плотности, бумага становится пригодной для двусторонней печати. Чего нельзя сказать, например, о газетной бумаге плотностью 60 г/м2. Если вы поднимите газетный лист к свету, буквы с обеих сторон сольются в одну кашицу и вы не сможете ничего прочитать.

Для использования в принтерах, бумага должна быть плотной

Иные виды сырья в изотовлении картона

Содержание волокнистых (целлюлозных) полуфабрикатов достигает в изготовлении бумаги и картона 88%. Остальные 12% приходятся на неволокнистые добавки. Это могут быть:

• минеральные пигменты для мелования;
• наполнители и вещества для проклейки в бумажной массе;
• добавки для придания прочности;
• вещества для поверхностной проклейки;
• химикаты, облегчающие процесс приготовления бумаги.

Все эти вещества служат улучшению внешнего вида материалов, их функциональных качеств, а так же повышают эффективность изготовления.

Мелование

Мелование — это нанесение на одну или обе стороны бумаги специальной меловальной суспензии (в один или несколько слоев). Особое покрытие придает бумаге или картону необходимые свойства — хорошую впитываемость печатной краски, белизну, непрозрачность, гладкость, лоск.

В состав меловальной суспензии входят:

•  пигменты — в их качестве используются каолин, мел, диоксид титана и пр.;
•  связующие для полимеров, обеспечивающие соединение частиц пигментов с поверхностью бумаги или между собой;
•  технологические добавки — оптические отбеливатели, красители, сшивающие агенты.

Чтобы улучшить впитываемость печатной краски, усилить непрозрачность бумаги и ее гладкость, применяются также и специальные наполнители.

Белые неорганические материалы, добавляемые в бумажную массу, «забивают» пустоты в волокнистой структуре, увеличивая рассеяние света.

Вместе с минеральными пигментами, применяемыми для мелования, наполнители составляют до 9% сырья, используемого бумажной промышленностью.