Химический способ производства бумаги

Химический способ производства бумаги

Бумага может показаться обычным и простым продуктом, но ее производство на самом деле сложнее, чем, вероятно, понимают большинство потребителей. Основной причиной этого является химия производства бумаги. Благодаря ряду реакций и физических процессов химические вещества, используемые в бумажной промышленности, превращают коричневую древесную стружку в глянцевый белый лист, который можно держать в руке. Двумя ключевыми химическими реакциями являются обесцвечивание и крафт-процесс.

Крафт Процесс

Древесина представляет собой сложную смесь, состоящую в основном из полимера, называемого целлюлозой. Волокна целлюлозы в древесине связаны друг с другом другим полимером, называемым лигнином. Производители бумаги должны удалить лигнин из древесной массы. Для этого одной из основных химических реакций, используемых в промышленности, является крафт-процесс, в котором щепу объединяют со смесью гидроксида натрия и сульфида натрия в воде при высокой температуре и давлении. В этих высокоосновных условиях отрицательно заряженные сульфид-ионы реагируют с полимерными цепями лигнина, разбивая их на более мелкие субъединицы, чтобы целлюлозные волокна высвобождались для дальнейшего использования.

Альтернативные реакции

Хотя варка целлюлозы является, безусловно, самым популярным процессом, некоторые производители используют другие подходы для удаления лигнина. Одной из таких альтернатив является варка сульфитной кислоты, где смесь серной кислоты и бисульфита натрия, магния, кальция или аммония в воде растворяет лигнин для освобождения целлюлозных волокон. Как и в случае с крафт-целлюлозой, требуются высокие температуры и давления. Еще одна альтернатива — полухимическая варка нейтрального сульфита, где крошку смешивают со смесью сульфита натрия и карбоната натрия в воде и варят. В отличие от других, этот процесс удаляет только часть лигнина, поэтому после варки чипсы должны быть механически измельчены, чтобы удалить часть оставшегося полимера.

Отбеливающая химия

Независимо от того, какой процесс производитель выберет для варки, некоторое количество лигнина остается неповрежденным, и этот оставшийся лигнин обычно дает мякоть коричневого цвета. Производители удаляют этот остаточный лигнин и превращают мякоть в белый цвет с помощью другого химического процесса, называемого отбеливанием. В этом процессе окислитель — химическое вещество, которое окисляет лигнин путем добавления к нему атомов кислорода или удаления электронов, — объединяется с древесной массой для уничтожения оставшегося лигнина. Отбеливание имеет тенденцию быть более избирательным, чем варка целлюлозы; в отличие от варки целлюлозы, которая также разрушает небольшую фракцию целлюлозы, отбеливание главным образом устраняет лигнин.

Отбеливающие химикаты

Обычные отбеливающие химические вещества включают хлор, диоксид хлора, кислород, перекись водорода, озон и гипохлорит натрия, активный ингредиент в бытовом отбеливателе. Хотя механизм каждой реакции различен, все они являются окислителями, которые будут окислять лигнин в целлюлозе. Хлор, диоксид хлора и перекись водорода являются наиболее селективными из этих агентов, что означает, что они имеют меньшую склонность реагировать с целлюлозой и другими желательными частями смеси. Помимо способности удалять лигнин, хлор, диоксид хлора и гипохлорит натрия также превосходят в своей способности удалять частицы грязи, что является еще одним важным фактором для производителей.

Другие реакции

После обжига и обесцвечивания целлюлоза подается в ряд машин, которые изменяют ее посредством физических, а не химических процессов, превращая ее в лист. В зависимости от того, какого типа свойства они хотят, чтобы их продукт имел, производители применяют разнообразные химические реакции, которые называются процессами проклеивания, удержания и прочности во влажном состоянии, которые придают влагостойкость, связывают меньшие волокна или изменяют продукт, так что он с меньшей вероятностью развалиться, когда мокрый. Обычно эти процессы включают один из множества полимеров, которые будут связываться с целлюлозными волокнами в готовом продукте. Например, в процессах с повышенной влажностью обычно целлюлозные волокна комбинируют с полиамидоамин-эпихлоргидриновыми смолами, которые реагируют с волокнами для их сшивания, поэтому они с меньшей вероятностью распадаются в воде.

Источник

Как делают бумагу: история, технология изготовления, характеристики

Вы когда-нибудь задавались вопросом…

• Из чего делают бумагу?
• Как делают бумагу из дерева?

Задолго до появления Всемирной паутины практически вся письменная информация распространялась в печатном виде. Идея получения информации с раскрашенных листов бумаги начинает казаться немного старомодной, но это не значит, что мы собираемся перестать использовать бумагу в ближайшее время.

Люди предсказывали появление «безбумажного общества» на протяжении десятилетий, и оно все еще кажется не близко; во всяком случае, мы используем больше бумаги, чем когда-либо прежде, и не только для печати. Огромное количество бумаги и картона по-прежнему используется для упаковки продуктов, в полотенцах и подгузниках, а также в широком ассортименте строительных материалов. Вероятно, не будет преувеличением сказать, что бумага — самый любимый материал в мире.

ВсеЗнаешь.ру предлагает внимательнее посмотреть, что это такое и как это сделано!

Кто изобрел и из чего делали бумагу раньше?

3000 г. до н.э.: Древние египтяне начинают писать на папирусе, сделанном из тростника, растущего на берегах реки Нил. Это первая легкая портативная поверхность для письма.

105 г. н. э.: Китаец Цай Лунь — изобрел бумагу из хлопка для императора Китая. Технология производства бумаги постепенно распространяется по всей Азии.

1100-е годы: Мавры внедряют технологию изготовления бумаги в Северной Африке и Испании, откуда она переходит в остальную часть Европы. Их бумага сделана из конопли и льна.

1450-е годы: Иоганн Генсфляйш цур Ладен цум Гутенберг (Иоганн Гутенберг) — изобретает способ книгопечатания подвижными литерами и печатает около 180 экземпляров своей знаменитой Библии Гутенберга. Это изобретение значительно увеличивает спрос на бумагу.

1799 год: Первую бумагоделательную машину (БДМ) непрерывного действия изобрёл француз Луи-Николя Робер (1761—1828).

1809 год: Англичанин Джон Дикинсон (1782–1869) изобрел и запатентовал альтернативное устройство для изготовления бумаги, называемое цилиндровым устройством.

1840 год: В Германии разработан метод получения механической или химико-механической древесной массы, применяемой в качестве исходного материала для изготовления бумаги или картона, и может быть использован в целлюлозно-бумажной промышленности.

1883год: Немецкий изобретатель Карл Ф. Даль разрабатывает химический метод изготовления прочной бумажной массы, называемый крафт-процесс («прочность»). Он представляет собой способ превращения древесины в древесную массу, которая состоит из почти чистых целлюлозных волокон, основного компонента бумаги.

1890 год: Американская компания Scott Paper Company из Филадельфии, Пенсильвания, производит первый бумажный рулон туалетной бумаги; в 1907 году компания разработала бумажные салфетки для улучшения общественной гигиены. В 1931 году Scott Paper производит первые бумажные полотенца ScottTowels и продает их в продуктовых магазинах.

Виды бумаги

Чтобы понять, как изготавливают бумагу, надо сначала определить ее вид, ведь состав сырья может быть разным.

Различают такие разновидности материала:

1. Офсетная. Широко используется в типографском деле — для печати книг и массовой полиграфической продукции. Бумага устойчива к сырости, что важно, так как при офсетной печати используют увлажнители.
2. Упаковочная. Прочная, невосприимчивая к влаге. К цвету и гладкости не предъявляют повышенные требования.
3. Газетная. Применяется для печати на высокоскоростном оборудовании. Ее особенность — повышенная впитываемость красок.
4. Мелованная. Отличия от других видов — белизна, гладкость. Из нее печатают качественные иллюстрированные издания.
5. Целлюлозная. Состоит из чистой целлюлозы плюс 1—3 % добавок. Например, хлопковые волокна часто используются для изготовления бумаги, на которой печатают деньги.

Из чего делают бумагу?

Большая часть бумажной массы изготавливается из деревьев (в основном быстрорастущих вечнозеленых хвойных деревьев), хотя она также может быть изготовлена ​​из бамбука, хлопка, конопли, джута и широкого спектра других растительных материалов.

• Гладкая бумага, используемая для журналов или упаковки, часто содержит такой материал, как фарфоровая глина, поэтому она печатается с более ярким глянцевым покрытием.
• дерева — масса называется целлюлозной;
• однолетних растений: из конопляной или рисовой массы изготавливают материал повышенной белизны, из соломы и тростника — прочную и плотную;
• вторичного сырья — макулатуры, тряпок;
• сырья для производства бумаги специального назначения — шерстяных, асбестовых и прочих волокон.

Основной материал в бумажной промышленности — древесина. На комбинаты поставляют стволы целиком. Там с них снимают кору, разрезают. Далее сырье измельчают в муку — до волокон-фибрилл.

В таком виде древесина поступает на измельчение в муку

Для производства бумаги используют:

• сосну, кедр — мягкие породы пригодны для изготовления упаковочных материалов;
• клен, дуб — основа из твердых пород гладкая, но менее прочная;
• канадскую ель — из нее делают прочный, но эластичный материал;
• каштан, березу и так далее.

Смешивая дубовое и сосновое сырье, получают книжную бумагу. Она прочная, эластичная. Для улучшения качества продукции древесный материал сортируют, фильтруют, обрабатывают химическими составами.

Производственные этапы изготовления бумаги

Производство начинается с изготовления бумажной массы, которая представляет собой смесь воды, целлюлозы и древесной массы (соотношение целлюлозы и д. м. определяет будущие характеристики продукции) с добавлением различных веществ для проклейки, окраски, улучшения свойств материала (клея, смолы, крахмала, мела, каолина и прочего). Соотношение воды и волокон таково, что бумажная масса представляет собой 2,5–3% суспензию.

Древесная масса

Предварительно очищенная бумажная масса поступает в бумагоделательную машину — сложный агрегат огромных размеров (длина — свыше 100м, ширина — 15-18м). За одну минуту полуфабрикат успевает пройти через все части БДМ;

1. Сеточная часть

Под напором этот состав непрерывно поступает на движущуюся проволочную сетку бумагоделательной машины. Технология изготовления бумаги такова, что волокна располагаются и переплетаются вдоль движения сетки, создавая машинное направление, которое в дальнейшем будет играть важную роль при использовании готового продукта. По мере движения сетки вода постепенно уходит и осуществляется формование бумажного полотна.

Сеточная часть БДМ

2. Прессовая часть

В процессе прессования полотно проходит между несколькими парами прессов-валов, уплотняясь и отдавая большую часть влаги.

3. Сушильная часть

В ней бумага-основа высушивается нагретыми паром цилиндрами. Но даже после этого в полотне остается до 8% влаги.

4. Каландры

Предварительно остуженное холодными барабанами полотно проходит каландрирование — пропускается между тяжелыми полированными валами — каландрами для придания ему большей гладкости и прочности. Каландрированная бумага сматывается в рулон и подвергается резке на меньшие рулоны или размотке и резке на листы.

Рулон готовой продукции

После и/или перед каландром могут быть установлены устройства для мелования бумаги. Мелование — нанесение покрытия из каолина или диоксида титана для увеличения гладкости бумаги и улучшения ее печатных свойств, оно бывает одно- или двухсторонним, однократным и многократным.

Критерии качества бумаги

1. Прочность — сопротивляемость разрыву и сжатию при высокоскоростной печати должна быть высокой.
2. Плотность — для глубокой печати используют тонкие листы, для упаковки — толстые (диапазон — от 60 до 300 г/м²);
3. Гладкость — чем она выше, тем лучше воспроизводятся детали изображения, плотнее контакт листов с формами для печати;
4. Белизна — показатель попадает в диапазон 60—98 %;
5. Непрозрачность — чем меньше просвечивается лист, тем меньшей будет степень проявления изображения с обратной стороны (для обычной офисной бумаги — от 89 %);
6. Пористость — на пористом материале лучше фиксируется краска, но отпечатки теряют насыщенность.
7. Сопротивляемость истиранию — если она мала, вязкие печатные краски «выщиплют» волокна с листов, и это загрязняет детали печатного оборудования.
8. Впитываемость — чем она выше, тем быстрее краски закрепятся на поверхности листа.
9. Наличие проклейки — с ней верхний слой будет прочным, устойчивым к воздействию влаги, клея.

Смотрите интересный репортаж с завода по производству бумаги:

Источник

Бумажные химикаты — Paper chemicals

Химические вещества для бумаги обозначают группу химикатов , которые используются для производства бумаги или изменяют свойства бумаги . Эти химические вещества можно использовать для изменения бумаги разными способами, включая изменение ее цвета и яркости или повышение ее прочности и водостойкости.

СОДЕРЖАНИЕ

Химические вещества, используемые в производстве бумаги

квасцы	«Сульфат глинозема»	Al 2 (SO 4 ) 3 . 18H 2 O	Для щелочной проклейки вместе с канифолью
Альбарин	« Натуральный сульфат извести »	CaSO 4 . 2H 2 O	строительные материалы.
Диоксид хлора	диоксид хлора	Cl O 2	отбеливание целлюлозы
Хлор	хлор	Cl 2	отбеливание целлюлозы
Доломит	Карбонат кальция и магния	CaMg (CO 3 ) 2	Наполнитель, Покрытие
DTPA	Диэтилентриамин пентацетат	C 14 H 33 N 3 O 10	Используется для хелатирования (удаления переходных металлов из пульпы).
ЭДТА	Этилендиаминтетрауксусной кислоты	C 10 H 16 N 2 O 8	Используется для хелатирования (удаления переходных металлов из пульпы).
Фермент	Используется для удаления краски
FSA	Формамидин серная кислота или диоксид тиомочевины	CH 4 N 2 SO 2	Отбеливание после удаления краски
Гуаровая камедь	Натуральный полимер	Добавка для повышения прочности в сухом состоянии
Гипс или минеральный белила или штукатурка	Натуральный сульфат извести	CaSO 4 · 2H 2 O	Гипсокартон
Пероксид водорода	Пероксид водорода	Н 2 О 2	При отбеливании пульпы
Хлорноватистая кислота	Хлорноватистая кислота	HOCl	При отбеливании пульпы
Лайм	Оксид кальция	Ca О	Восстановление химических веществ, отбеливание в процессе щелочной варки целлюлозы
Известняк	Карбонат кальция	CaCO 3	Чтобы сделать осажденный CaCO 3 , используется в качестве наполнителя и в покрытии.
Бисульфит магния	Бисульфит магния	Mg (HSO 3 ) 2	Используется при варке сульфитной целлюлозы
Магнезит	Карбонат магния	MgCO 3 -100%	Наполнитель для сигаретной бумаги
Лаймовое молоко	Гидроксид кальция	Са (ОН) 2	Для каустизации зеленого щелока
Молоко магнезии	Гидроксид магния	Мг (ОН) 2
Кислород	Кислород	O 2	При отбеливании пульпы
Озон	Озон	O 3	При отбеливании пульпы
Канифоль	Абиетиновая кислота	C 19 H 29 COOH	Размеры
Канифольное мыло	Абиетат натрия	C 19 H 29 COONa	Размеры
Соленый пирог	Сульфат натрия	Na 2 SO 4 10H 2 O	Подпитка химического восстановления сульфатной варки целлюлозы (Na 2 SO 4 — Na 2 S)
Мыло / жирная кислота	Удаление краски
Бисульфит натрия	Бисульфит натрия	NaHSO 3	Используется при варке сульфитной целлюлозы
Кальцинированной соды	Карбонат натрия	Na 2 CO 3	Подпитка химического восстановления щелочной варки целлюлозы (Na 2 CO 3 + Ca (OH) 2 — 2NaOH + CaCO 3 )
Алюминат натрия	Алюминат натрия	Na 2 Al 2 O 4	Используется вместе с квасцами для контроля pH.
Бисульфит натрия	Бисульфит натрия	NaHSO 3	Химический компонент варочного раствора кислотного типа, который иногда используется для нейтрализации остаточного хлора в целлюлозе в процессе отбеливания.
Хлорат натрия	Хлорат натрия	NaClO 3	Используется для производства диоксида хлора
Дитионит натрия	Гидросульфит натрия	Na 2 S 2 O 4	Отбеливание
Гипохлорит натрия	Гипохлорит натрия	Na O Cl	Отбеливание
Перекись натрия	Перекись натрия	Na 2 O 2	Отбеливание
Силикат натрия	Силикат натрия	Na 2 SiO 3	При очистке макулатуры от краски для смачивания, пептизации, диспергирования чернил, стабилизации пероксидами.
Сульфид натрия	Сульфид натрия	Na 2 S	Активный химикат в крафт-сульфатном варочном щелоке
Тиосульфат натрия	Тиосульфат натрия	Na 2 S 2 O 3	Отбеливание
Триполифосфат натрия	Триполифосфат натрия	Na 5 P 3 O 10	Диспергатор
Крахмал	Состоит из единиц глюкозы, связанных между собой кислородными мостиками, называемыми гликозидами.	Добавка для мокрой и сухой концов
Сера	Сера	S	Для производства HSO 3 f или бисульфитной варки
Поверхностно-активное вещество	Используется для удаления краски. Используется в качестве разрыхлителя при производстве распушенной целлюлозы.
Титания	Оксид титана	TiO 2	Наполнитель для увеличения непрозрачности и яркости бумаги. Используется в покрытии.
Анатас	Оксид титана	TiO 2

Варка целлюлозы

Химическая варка целлюлозы включает растворение лигнина для извлечения целлюлозы из древесного волокна. Различные процессы химической варки целлюлозы включают крафт-процесс , который использует каустическую соду и сульфид натрия и является наиболее распространенным; в качестве альтернативы использование сернистой кислоты известно как сульфитный процесс , нейтральный полухимический сульфит обрабатывают как третий процесс, отдельный от сульфита, и варку натриевой целлюлозы, которая является наименее экологически опасной с использованием гидроксида натрия или антрахинона .

Каустическая сода добавляется для увеличения pH в процессе варки волокон. Более высокий pH раствора бумажных волокон приводит к сглаживанию и набуханию волокон, что важно для процесса измельчения волокон.

Отбеливание

При производстве белой бумаги древесную массу отбеливают, чтобы удалить любой цвет из следовых количеств лигнина, которые не были извлечены в процессе химической варки целлюлозы. Существует три основных метода отбеливания:

1. При отбеливанииэлементарнымхлором используются хлор и гипохлорит .
2. Отбеливание без использования элементарного хлора более безопасно для окружающей среды, поскольку исключает использование гипохлорита и заменяет хлор диоксидом хлора или хлоратом натрия .
3. При отбеливании без хлора используются кислород и перекись водорода . Это наиболее экологически чистый процесс, поскольку он устраняет все хлорированные загрязнители.

Размеры

Большинство типов бумаги должны обладать некоторой водостойкостью, чтобы поддерживать определенное качество письма и пригодность для печати. До 1980 года обычным способом добавления этого сопротивления было использование канифоли в сочетании с квасцами . Когда бумажная промышленность начала использовать мел вместо фарфоровой глины в качестве наполнителя, химия бумаги была вынуждена перейти на нейтральный процесс. Сегодня в основном используются AKD ( димер алкилкетена ) и ASA ( ангидрид алкенилянтарной кислоты ).

Укрепление

Влажная прочность

Добавки, повышающие влагопрочность, гарантируют, что бумага сохраняет свою прочность при намокании. Это особенно важно для папиросной бумаги . Химические вещества, обычно используемые для этой цели, включают эпихлоргидрин , меламин , мочевину формальдегид и полиимины . Эти вещества полимеризуются в бумаге и приводят к образованию укрепляющей сети.

Для повышения прочности бумаги во влажную целлюлозу в процессе производства добавляют катионный крахмал. Крахмал имеет аналогичную химическую структуру, что и целлюлозное волокно пульпы, а поверхность как крахмала, так и волокна заряжена отрицательно. Добавляя катионный (положительно заряженный) крахмал, волокна могут связываться с крахмалом и, таким образом, также увеличивать межсоединения между волокнами. Положительно заряженная часть крахмала обычно образована катионами четвертичного аммония . Используемые четвертичные соли включают 2,3-эпоксипропилтриметиламмонийхлорид (EPTAC, также известный как или Glytac Quab, GMAC ™) и хлорид (3-хлор-2-гидроксипропил) триметиламмония (CHPTAC, также известный как Quat 188, Quab 188, Reagens ™).

Сухая прочность

Добавки, повышающие прочность в сухом состоянии, или вещества, повышающие прочность в сухом состоянии, представляют собой химические вещества, улучшающие прочность бумаги в нормальных условиях. Они улучшают прочность бумаги на сжатие , прочность на разрыв , прочность на разрыв и сопротивление расслаиванию . Типичные используемые химические вещества включают производные катионного крахмала и полиакриламида (ПАМ). Эти вещества действуют путем связывания волокон, часто с помощью ионов алюминия в листе бумаги.

Связующие

Связующие способствуют связыванию частиц пигмента между собой и слоем покрытия бумаги. Связующие представляют собой сферические частицы диаметром менее 1 мкм. Обычными связующими являются сополимер стирола и малеинового ангидрида или сополимер стирола и акрилата. Поверхность химический состав отличается от адсорбции из акриловой кислоты или анионного поверхностно -активного вещества , оба из которых используются для стабилизации дисперсии в воде. Совместные связующие или загустители, как правило, представляют собой водорастворимые полимеры, которые влияют на вязкость цвета бумаги, водоудержание, проклейку и блеск. Некоторые общие примеры — карбоксиметилцеллюлоза (CMC), катионная и анионная гидроксиэтилцеллюлоза (EHEC), модифицированный крахмал и декстрин . Стирол-бутадиеновый латекс, стирол-акрил, декстрин , окисленный крахмал используются в покрытиях для связывания наполнителя с бумагой. Со-связующие вещества представляют собой натуральные продукты, такие как крахмал и КМЦ ( карбоксиметилцеллюлоза ), которые используются вместе с синтетическими связующими, такими как стирол-акрил или стирол-бутадиен. Со-связующие используются для снижения стоимости синтетического связующего и улучшения водоудержания и реологии покрытия.

Источник