E‑book - Półprodukty włókniste, substancje chemiczne do wytwarzania mas włóknistych oraz rodzaje mas włóknistych i dodatków masowych do przygotowania masy papierniczej
Spis treści
1. Wstęp1. Wstęp
2. Włókniste półprodukty do produkcji mas włóknistych2. Włókniste półprodukty do produkcji mas włóknistych
3. Substancje chemiczne wykorzystywane podczas wytwarzania mas włóknistych3. Substancje chemiczne wykorzystywane podczas wytwarzania mas włóknistych
4. Półprodukty włókniste i dodatki masowe do produkcji mas papierniczych4. Półprodukty włókniste i dodatki masowe do produkcji mas papierniczych
4.1. Włókniste półprodukty roślinne4.1. Włókniste półprodukty roślinne
4.2. Włókniste półprodukty nieroślinne4.2. Włókniste półprodukty nieroślinne
4.3. Dodatki masowe4.3. Dodatki masowe
5. Bibliografia5. Bibliografia
1. Wstęp
Masy włókniste są półproduktem wykorzystywanym do produkcji wytworów papierniczych i płyt pilśniowych. Surowce stosowane do wytwarzania mas włóknistych można podzielić na surowce pochodzenia roślinnego oraz nieroślinnego.
Surowce pochodzenia roślinnego dzieli się na: surowce pierwotne, wtórne i odpadowe.
Do surowców pierwotnych zaliczamy drewno i elementy roślin niedrzewnych. Drewno dzielimy na drewno iglaste i liściaste. Masy uzyskane z drewna iglastego różnią się w istotny sposób od mas uzyskanych z drewna liściastego.
Surowce wtórne to przede wszystkim makulatura, szmaty lniane, zużyte worki, liny, ścinki materiałów, odpady z przerobu lnu, konopi, sizalu, bawełny, juty, ramii itp.
Surowce odpadowe są to surowce, które pozostały jako odpady z innych procesów przetwórczych. Zaliczamy do nich np.: skrawki i odpady papieru powstające podczas jego produkcji i przetwórstwa czy bagassę, czyli wytłoki powstające podczas przerobu trzciny cukrowej.
Wszystkie surowce wymienione powyżej można zaliczyć do szerokiej grupy surowców lignocelulozowych. Ich wspólną cechą jest wysoka zawartość celulozy, ligniny i hemiceluloz. Celuloza, hemiceluloza, lignina to naturalne polimery. Różne metody roztwarzania drewna na masy włókniste dążą do utrzymania jak największej ilości celulozy w zachowanej masie i redukcji zawartości ligniny. Umiejscowienie celulozy w drewnie i wzór pojedynczego meru przedstawia poniższy schemat.
Surowcami niezaliczanymi do surowców lignocelulozowych, czyli pozostałymi surowcami włóknistymi, są włókna różnego pochodzenia, np. włókna mineralne, metalowe oraz syntetyczne.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
2. Włókniste półprodukty do produkcji mas włóknistych
Drewno iglaste
Drewno iglaste jest najpopularniejszym w Polsce surowcem do produkcji pierwotnych mas włóknistych. Wynika to ze składu gatunkowego naszych lasów, w których dominującym gatunkiem jest sosna zwyczajna. Drewno sosnowe charakteryzuje się długimi włóknami i sporą zawartością substancji ubocznych, czyli ekstrakcyjnych, do których zaliczamy żywicę, woski i fenole. Długie włókna są pożądane podczas produkcji mocnych mas celulozowych metodą siarczanową. Duża zawartość substancji ekstrakcyjnych wpływa niekorzystnie na proces roztwarzania metodą siarczynową i ma negatywny wpływ na wykorzystanie drewna sosnowego do produkcji ścieru drzewnego.
Drugim popularnym gatunkiem jest świerk, którego drewno ma właściwości zbliżone do drewna jodłowego. Drewno tych gatunków również charakteryzuje się długimi włóknami i wykorzystuje się je do produkcji wysokogatunkowych mas włóknistych. Mniejsza zawartość substancji ekstrakcyjnych pozwala z powodzeniem wykorzystywać drewno świerkowe i jodłowe do produkcji ścieru drzewnego. Oprócz wykorzystania do produkcji mas siarczanowych i ścieru drewno tych gatunków można wykorzystywać do produkcji mas termomechanicznych i chemotermomechanicznych.
Drewno liściaste
Drewno rodzimych gatunków liściastych charakteryzuje się niewielką zawartością żywic i innych substancji ubocznych. Z uwagi na to sprawdza się przy produkcji mas włóknistych wszystkimi metodami. Jednym z kluczowych ograniczeń w stosowaniu drewna liściastego do produkcji mas włóknistych jest długość włókien. Włókna w masach liściastych są znacząco krótsze od tych w masach iglastych, co skutkuje gorszymi parametrami mechanicznymi papierów z tych mas. Z drewna liściastego produkuje się bielone masy celulozowe na papiery do zadrukowania i pisania, masy półchemiczne na fluting (papier na warstwę pofalowaną tektury falistej), a drewno bukowe może być przetwarzane również na tzw. masy wiskozowe, przeznaczone do dalszego przerobu chemicznego.
Pozostałe surowce lignocelulozowe
Słoma i trzcina to główne surowce do wytwarzania niedrzewnych mas włóknistych. Charakteryzują się dużą zawartością celulozy i hemiceluloz, a małą zawartością ligniny. Dzięki temu mogą być z powodzeniem przerabiane na masy celulozowe i półchemiczne. Znaczny udział hemiceluloz warunkuje przydatność słomy do produkcji mas przeznaczonych na papiery pergaminowe, a jednocześnie obniża jej przydatność w produkcji mas do celów chemicznych. Zarówno trzcina, jak i słoma zawierają istotne ilości popiołu, którego znacznym składnikiem jest krzemionka; ta cecha również powoduje niską przydatność obydwu surowców do produkcji mas na cele chemiczne. Oprócz słomy i trzciny do produkcji mas włóknistych wykorzystujemy szmaty, odpady włókiennicze, włókna konopne, bawełniane i lniane. Masy wytworzone z trzciny, słomy czy bagassy (wysuszonego włókna trzciny cukrowej) charakteryzują się krótkimi włóknami, przez co mają niską wytrzymałość. Ciemne zabarwienie ogranicza stosowanie tych surowców jako dodatku do mas celulozowych z drewna.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
3. Substancje chemiczne wykorzystywane podczas wytwarzania mas włóknistych
Oprócz surowców włóknistych proces produkcji mas celulozowych wymaga dodatków chemicznych. Różnią się one w zależności od metody roztwarzania drewna. Do roztwarzania siarczanowego oprócz surowca włóknistego potrzebny jest ług warzelny. Jego główne składniki to wodorotlenek sodu (NaOH) i siarczek sodu (NaIndeks dolny 22S). NaOH jest głównym czynnikiem roztwarzającym, podczas gdy NaIndeks dolny 22S przyspiesza roztwarzanie, korzystnie wpływa na wydajność i właściwości mechaniczne powstałej masy celulozowej.
W roztwarzaniu siarczynowym, poza surowcem włóknistym, wykorzystujemy kwas warzelny. Jest on wodnym roztworem wodorosiarczynu wapnia, sodu, magnezu lub amonu oraz dwutlenku siarki.
Metodami obiecującymi ze względów środowiskowych są metody rozpuszczalnikowe, nazywane również Organosolv. Jest wiele różnych metod rozpuszczalnikowych, najlepiej poznane to: Proces Alcell, gdzie wykorzystujemy alkohol etylowy, Proces Organocell, gdzie do roztwarzania wykorzystywany jest wodorotlenek sodu, alkohol metylowy i niewielkie ilości antrachinonu.
Środki bielące
Bielenie mas celulozowych to proces mający na celu podniesienie walorów estetycznych mas celulozowych, przy jednoczesnym zachowaniu ich cech użytkowych. Podczas bielenia usuwa się i chemicznie odbarwia substancje barwne zawarte w masach celulozowych. Główną usuwaną substancją jest lignina, zabarwienie mas może pochodzić również od garbników, żywic czy jonów metali ciężkich. W omawianym procesie wykorzystywane są różne środki bielące.
Chlor używany do bielenia może występować w postaci chloru gazowego lub wody chlorowej, czyli wodnego roztworu chloru.
Podchloryny są solami kwasu podchlorawego. W bieleniu wykorzystuje się często podchloryn sodu.
Dwutlenek chloru jest gazem o żółtej barwie. Jest szkodliwy dla zdrowia i dość nietrwały. Rozkłada się wybuchowo pod wpływem światła, iskry elektrycznej lub zetknięcia z łatwo utleniającą się substancją. Dwutlenek chloru, ze względu na jego właściwości, wytwarza się na miejscu w celulozowni. Rozpuszczalność dwutlenku chloru w wodzie jest wyższa od rozpuszczalności chloru.
Tlen w stanie wolnym występuje w powietrzu i stanowi 21% jego objętości. Skroplony jest niebieską cieczą, w wodzie rozpuszcza się w ilości 3%. Tlen można dostarczać do zakładu i magazynować w specjalnych zbiornikach, możliwe jest także wytwarzanie go na miejscu.
Ozon jest bardzo aktywną formą tlenu, zawiera 3 atomy tlenu w cząsteczce w porównaniu do 2 atomów w zwykłym tlenie. Ozon jest nietrwały i toksyczny, ma charakterystyczny zapach, wyczuwalny już w bardzo małych ilościach. Ma dużo wyższy potencjał delignifikujący niż tlen. Ponieważ jest bardzo nietrwały, musi być wytwarzany na miejscu, bezpośrednio przed użyciem.
Nadtlenek wodoru jest składnikiem popularnej wody utlenionej; jego cząsteczka w porównaniu do cząsteczki wody zawiera dodatkowy atom tlenu. Sprzedawany w stężeniu 30% nazywany jest perhydrolem. Nadtlenek wodoru jest bezbarwną, syropowatą cieczą. Roztwory nadtlenku wodoru są dość trwałe, ale ulegają rozkładowi w kontakcie z zanieczyszczeniami oraz pod wpływem promieniowania UV i ciepła. Ciecz bieląca z nadtlenku wodoru zawiera dodatki w postaci siarczanu magnezu, krzemianu sodu, kwasu siarkowego czy wodorotlenku sodu.
Kwasy nadtlenowe (na przykład kwas nadoctowy) są lepsze od nadtlenku wodoru, ponieważ ich zastosowanie w procesie bielenia pozwala uzyskać wyższą białość bielonych mas. Działają wybielająco i delignifikująco. Ze względu na ich lotność można je otrzymywać drogą destylacji.
Wodorotlenek sodu nie jest substancją bielącą, ale środkiem pomocniczym. Używa się go jako środek do usuwania produktów delignifikacji oraz jako dodatek podczas bielenia podchlorynami, tlenem i nadtlenkiem wodoru. W wielu procesach wodorotlenek sodu można zastępować węglanem sodu.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
4. Półprodukty włókniste i dodatki masowe do produkcji mas papierniczych
Do produkcji masy papierniczej wykorzystujemy masy włókniste wraz z dodatkami masowymi i pomocniczymi środkami chemicznymi. Półprodukty do produkcji mas włóknistych zostały omówione wyżej. Teraz krótko scharakteryzujemy masy włókniste wykorzystywane do produkcji mas papierniczych i włókna nieroślinne.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
4.1. Włókniste półprodukty roślinne
Masy długowłókniste (z surowców wtórnych – szmat i odpadów oraz z konopi, lnu, bawełny) – wytwarza się je podczas chemicznej i mechanicznej obróbki szmat bawełnianych, lnianych lub konopnych. Wytwarzanie mas długowłóknistych jest bardzo kosztowne, dlatego wykorzystuje się je do produkcji wytworów papierniczych o specjalnych właściwościach. Masy długowłókniste stosowane są w produkcji papierów o dużej miękkości, wysokiej nieprzeźroczystości, dużej porowatości i chłonności. Masy te wykorzystywane są na papiery światłoczułe, mapowe, banknotowe oraz bibuły do produkcji papieru biblijnego. Masy długowłókniste gorszej jakości stosuje się w produkcji papierów pakowych, ściernych i tektury dachowej.
Masy celulozowe – wytwarza się je z drewna i roślin jednorocznych poprzez chemiczne roztwarzanie. W zależności od metody roztwarzania masy celulozowe będą miały różne właściwości. Masy celulozowe siarczanowe mają dobre właściwości wytrzymałościowe, są odporne na temperatury, starzenie i mają dobre właściwości dielektryczne. Niebielona masa siarczanowa (kraft) stosowana jest do produkcji papierów workowych, pakowych oraz linerów – papierów na warstwy płaskie tektury falistej. Normalne masy siarczanowe służą do produkcji papierów technicznych, papierów i kartonów elektroizolacyjnych. Masy specjalne, charakteryzujące się dużą czystością chemiczną, stosuje się do produkcji bibułek transformatorowych. Bielone masy siarczanowe mają dobre właściwości wytrzymałościowe, dużą nieprzezroczystość i małą gęstość pozorną. Stosuje się je na papiery pakowe, drukowe, do pisania oraz na kartony dwuwarstwowe. Masy celulozowe siarczynowe niebielone charakteryzują się jasną barwą, mają dobrą mielność i zadowalające właściwości wytrzymałościowe. Co istotne, mają też dobrą zdolność do formowania wstęgi papierniczej. W zależności od stopnia twardości znajdują różne zastosowanie. Masy twarde wykorzystywane są do wytwarzania papieru gazetowego i jasnych papierów pakowych. Masy normalne stosowane są do produkcji papierów do pisania, papierów drukowych i linerów. Masy miękkie wykorzystywane są do wyrobu kartonów jednowarstwowych, bibuł i tektur. Bielone masy siarczynowe klasyfikuje się według białości. Te najbielsze wykorzystuje się do produkcji papierów mapowych, dokumentacyjnych, rysunkowych i podłoży papierów fotograficznych. Mniej czyste masy bielone wykorzystuje się na papiery do pisania i drukowe. Mocne masy bielone siarczynowe stosowane są do produkcji papierów pakowych, papeterii oraz kartonów kreślarskich. Miękkie masy bielone wykorzystuje się do produkcji bibuł i papierów higienicznych. Masy, ze względu na długość włókien, dzielimy na długowłókniste (z drewna iglastego) oraz krótkowłókniste (z drewna liściastego), w zależności od tego z jakiego rodzaju drewna będą wytwarzane.
Masy wysokowydajne – mogą zastępować niebielone masy celulozowe. Papiery z niej wyprodukowane mają dobre właściwości wytrzymałościowe, dużą sztywność, pulchność i stabilność wymiarową. Wysokowydajne masy siarczynowe stosuje się do produkcji papierów gazetowych, drukowych i pakowych. Natomiast wysokowydajne masy siarczanowe służą do wytwarzania tektur i kartonu na pokrycie tektury falistej.
Masy półchemiczne – wytwarza się je z drewna i surowców jednorocznych różnymi metodami, m.in. obojętnego siarczynu sodowego czy metodą siarczanową. Służą do produkcji flutingu, papierów pakowych, kartonów i tektur. Z jasnych odmian i bielonych mas półchemicznych wytwarza się wyższej jakości papiery i tektury.
Ścier – jest to surowiec powstały przez mechaniczne rozwłóknienie drewna. Jest materiałem niejednorodnym: składa się z licznych pęczków włókien, cząstek niewłóknistych, drzazg i włókien. Ścier biały ma dużo niższe właściwości wytrzymałościowe niż masy celulozowe, jego dodatek jest jednak korzystny w masach papierniczych. Zwiększa ich nieprzezroczystość, drukowność, pulchność. W zależności od frakcji stosuje się go do produkcji papieru gazetowego, niższej klasy papieru drukowego, tektur i papierów pakowych. Podbielany ścier wykorzystuje się do produkcji papierów drukowych wyższej jakości. Ścier brązowy powstaje przez mechaniczne rozwłóknienie drewna wstępnie parowanego. Wytwory produkowane ze ścieru brązowego mają wyższe właściwości wytrzymałościowe niż te ze ścieru białego. Ze względu na ciemniejszą barwę ścier brązowy wykorzystywany jest głównie do produkcji tektury brązowej.
Masa makulaturowa (masa wtórna) – jako półprodukt wtórny powstaje przez rozwłóknienie makulatury czyli zużytych wytworów papierniczych takich jak papier, tektura, pudła. Charakteryzuje się dużą zmiennością; jej jakość zależna jest od papierów, z jakich została wytworzona – od ich gatunku, stopnia zadrukowania itp. W przypadku użycia papierów zadrukowanych, masę tę należy odbarwić. Masę makulaturową dzielimy na:
masę makulaturową białą – pozyskiwaną z braków własnych papierni,
masę makulaturową odbarwioną – pozyskaną z odbarwionych papierów ilustrowanych, jej odcień jest jasnoszary z powodu resztek sadzy z farb drukarskich,
masę makulaturową ciemnoszarą – otrzymywaną z makulatury niesortowanej. Produkuje się z niej papiery niskogatunkowe.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
4.2. Włókniste półprodukty nieroślinne
Włókna pochodzenia zwierzęcego – są to przede wszystkim włókna wełniane i włókna ze skóry. Nadają one wytworom papierniczym charakterystyczną pulchność i porowatość. Ich dodatek zapewnia wytworom papierniczym odporność na wysokie temperatury i pozwala je barwić barwnikami kwasowymi.
Włókna mineralne – najczęściej wykorzystuje się włókna mineralne azbestowe i szklane. Nadają one wytworom papierniczym odporność na wysoką temperaturę i stateczność wymiarów. Wytwory z dodatkiem włókien mineralnych mają zwiększoną odporność na działanie chemikaliów i drobnoustrojów.
Włókna sztuczne i syntetyczne – stosowane są różne rodzaje włókien sztucznych i syntetycznych, np. włókna wiskozowe, poliestrowe, poliamidowe, polietylenowe oraz różne kopolimery. Ich dodatek do masy papierniczej nadaje wytworom specjalne właściwości wytrzymałościowe, stateczność, poprawia odporności na chemikalia i mikroorganizmy, modyfikuje ich chłonność.
Włókna metalowe – najczęściej stosuje się włókna metalowe stalowe, aluminiowe i miedziane. Kombinacja włókien metalowych z innymi powoduje otrzymanie papieru o cennych właściwościach. Papiery te cechują się na przykład dużą przewodnością cieplną i elektryczną. Mają zdolność odbijania lub pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego, mogą mieć właściwości magnetyczne i wiele innych.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
4.3. Dodatki masowe
Do produkcji mas papierniczych jako dodatki masowe stosujemy głównie siarczan glinu, wypełniacze, kleje, barwniki oraz chemiczne środki pomocnicze.
Siarczan glinu – stosowany jest do prawie wszystkich mas włóknistych. Wpływa na zwiększenie retencji i poprawia działanie frakcji drobnej, wypełniaczy, klejów, barwników. Poprawia odwadnialność masy, zmniejsza zawartość powietrza i skłonność do pienienia.
Wypełniacze – to białe pigmenty wprowadzone w papier w celu zwiększenia nieprzeźroczystości, białości, gładkości, miękkości i stabilności wymiarowej wytworów papierniczych. Do najpopularniejszych wypełniaczy zaliczamy: kaolin, węglan wapnia, gips, talk, dwutlenek tytanu.
Kleje – zaklejanie papieru ma na celu nadanie wytworom papierniczym odporności na przenikanie i rozlewanie cieczy, np. wody, oleju, atramentu i farb drukarskich. Wyróżniamy zaklejanie w masie i powierzchniowe. Do zaklejania w masie wykorzystujemy głównie kleje żywiczne, emulsje parafinowe, woskowe, żywiczno‑parafinowe, żywice silikonowe itp. Do zaklejania powierzchniowego wykorzystuje się np. skrobię, karboksymetylocelulozę, szkło wodne.
Substancje barwiące – stosuje się je w celu zmiany barwy z naturalnej na żądaną. Do barwienia służą: barwniki – substancje rozpuszczalne w wodzie, które utrwala się na włóknie adsorpcyjnie lub chemicznie; rozjaśniacze optyczne – mające na celu podniesienie wrażenia białości papieru; pigmenty – nierozpuszczalne w wodzie substancje, niewykazujące powinowactwa wobec składników mas papierniczych, co pozwala na ich równe rozmieszczenie w masie. Mają małą zdolność barwiącą, ale są bardzo odporne na działanie światła.
Pomocnicze substancje chemiczne – substancje te służą do nadania wytworom papierniczym określonych właściwości, obniżają koszty produkcji oraz usprawniają sam proces produkcji. Wyróżniamy: środki retencyjne, które zwiększają ilość frakcji drobnej zatrzymanej na sicie, należą do nich np. poliakryloamidy, skrobia kationowa; środki przeciwpienne, które przeciwdziałają powstawaniu piany w procesie produkcji papieru. Dodajemy również środki wodoutrwalające, które umożliwiają zachowanie części właściwości wytrzymałościowych wytworu papierniczego w warunkach nawilżenia lub całkowitego nasycenia wodą, takie jak: żywice melaminowo‑formaldehydowe, polietylenoimina. Chemicznymi substancjami pomocniczymi są również skrobie i jej pochodne, pochodne celulozy, syntetyczne polimery i żywice dodawane w celu zwiększenia mocy wiązań między włóknami a tym samym wytrzymałości papieru.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
5. Bibliografia
Przybysz K., Technologia celulozy i papieru. Cz. 2. Technologia papieru, WSiP, Warszawa 1983.
Surewicz W., Podstawy technologii mas włóknistych, WNT, Warszawa 1971.
Surmiński J., Budowa i morfologia surowców i mas włóknistych, Wydawnictwo AR, Poznań 1997.
Wandelt P., Technologia celulozy i papieru. Cz. 1. Technologia mas włóknistych, WSiP, Warszawa 1983.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
