Бумага — это не просто повседневный материал, а сложный продукт науки и инженерии. Её свойства — от прочности до гладкости — зависят от микромасштабных процессов, происходящих на самых ранних этапах производства. Один из таких процессов — флокуляция, или образование сгустков (флокул) из волокон и частиц в водной суспензии. Управление этим процессом открывает путь к созданию более прочной, лёгкой, дешёвой и экологичной бумаги. Сегодня исследователи вооружились новым инструментом — методом Rheo-OCT, который позволяет не только наблюдать за флокуляцией в режиме реального времени, но и понимать, как улучшить её с помощью различных волокон и добавок.
Что такое флокуляция — и зачем она нужна?
Представьте себе миску с мукой, залитую водой. Если вы начнёте перемешивать муку и воду, образуются комочки. В бумажной массе (смеси воды и волокон) происходит нечто подобное: частицы могут собираться в сгустки — флокулы. Такие скопления влияют на структуру и свойства будущего листа бумаги. Если флокулы слишком крупные или хрупкие — в листе появляются неравномерности, что ухудшает его качество. Если же они устойчивы и распределены равномерно — это повышает прочность, однородность и даже уменьшает расход материалов.
Rheo-OCT: как работает научное "зрение" для бумаги
Методика Rheo-OCT сочетает два подхода. С одной стороны — это оптическая когерентная томография (OCT), похожая на УЗИ, но с микронной точностью. Она позволяет буквально заглянуть внутрь мутной суспензии и увидеть, как формируются флокулы. С другой стороны — это реометр (Rheo), который измеряет вязкость, то есть насколько "густой" и текучей становится смесь при перемешивании. Вместе они дают полную картину: что происходит внутри массы и как это сказывается на её поведении при движении. Такое двойное измерение особенно важно, потому что процессы в бумагоделательной машине сопровождаются интенсивным перемешиванием и изменением нагрузки.
Эксперименты: что влияет на флокулы?
В исследованиях использовалась масса, содержащая различные типы целлюлозы и добавок. Среди волокон — микрофибриллированная целлюлоза (HRF), хвойная и лиственная крафт-целлюлоза (SWBKP и HWBKP), механически обработанная масса (BCTMP), а также вторичное сырьё (broke). В качестве добавок применялись катионный крахмал и полиалюминиевыйхлорид (PAC).
Катионный крахмал — это натуральный флокулянт, который, как показали опыты, быстро увеличивает размер флокул. Эти флокулы более устойчивы к механическому разрушению. Их можно сравнить с хорошим тестом, которое не рвётся при растяжении. PAC, напротив, образовывал более мелкие и нестабильные флокулы, особенно при высоких дозах. Они легче разрушались при сдвиговых нагрузках, что видно по падению вязкости (см. рис. 1).
|
Рисунок 1. Флокуляционные и вязкостные характеристики бумажных масс с концентрацией 0,5 %, состоящих из 20 % ВСТМП (белёной химико-термомеханической массы), 20 % возвратной макулатуры и различных соотношений белёной лиственной сульфатной целлюлозы (HWBKP) и белёной хвойной сульфатной целлюлозы (SWBKP), при дозировке катионного крахмала 8 кг на метрическую тонну:
(a) Массa 1: 40 % HWBKP и 20 % SWBKP;
(b) Массa 2: 50 % HWBKP и 10 % SWBKP;
(c) Массa 3: 60 % HWBKP и 0 % SWBKP.
|
Комбинации волокон и добавок: как найти оптимум?
Одним из ключевых выводов стало то, что поведение флокул зависит не только от добавок, но и от состава массы. Например, замена части длинных, дорогих волокон SWBKP на короткие HWBKP или более дешёвые BCTMP может изменить флокуляцию и структуру бумаги. Эксперименты с шестью разными смесями волокон показали, что максимальный размер флокул и их устойчивость зависят от соотношения компонентов и времени, прошедшего после добавки реагента (см. табл. I и рис. 2-3).
Таблица 1
BCTMP: белёная химико-термомеханическая масса (БХТММ);
SWBKP: белёная сульфатная целлюлоза из хвойной древесины;
HWBKP: белёная сульфатная целлюлоза из лиственной древесины;
HRF: сильно измельчённое (высокорафинированное) волокнистое сырьё;
PAC: полихлорид алюминия.
|
|
Рисунок 2. Сравнение динамики флокуляции при добавлении (a) крахмала и (b) обработанного полихлоридом алюминия (PAC) сильно измельчённого волокнистого сырья (HRF) в основную бумажную массу. Стрелки указывают момент времени, когда достигается наибольший размер флокул, а пунктирные линии отображают общую тенденцию изменения размера флокул после добавления добавки.
|
|
Рисунок 3. Флокуляционные и вязкостные характеристики бумажных масс с концентрацией 0,5 %, содержащих 20 % возвратной макулатуры, 5 % сильно измельчённого волокнистого сырья (HRF), предварительно обработанного полихлоридом алюминия (PAC), и различные соотношения белёной лиственной сульфатной целлюлозы (HWBKP) и белёной химико-термомеханической массы (BCTMP), при дозировке PAC 8 кг на метрическую тонну:
(a) Массa 4: 20 % BCTMP и 55 % HWBKP;
(b) Массa 5: 30 % BCTMP и 45 % HWBKP;
(c) Массa 6: 40 % BCTMP и 35 % HWBKP.
|
Интересно, что предварительное добавление PAC в HRF (вместо всей массы) дало лучший результат по прочности флокул и равномерности структуры. Это связано с тем, что PAC мог взаимодействовать с микрофибриллами, делая их поверхность катионной и вызывая агрегацию оставшихся частиц.
Почему это важно для промышленности?
Производство картона и упаковки требует баланса между ценой, прочностью и массой. Дорогие длинные волокна дают прочность, но увеличивают себестоимость. Исследование показывает, что использование HRF и PAC в правильной последовательности может позволить снизить содержание SWBKP без потери прочности, сохранив или даже улучшив внутреннюю связь волокон.
Это особенно важно для среднего слоя (filler ply) многослойного картона (например, FBB), где внешний вид менее важен, а толщина и прочность играют ключевую роль.
Снижение доли первичной целлюлозы, сокращение расхода химикатов, меньшая масса и лучшая дренажеспособность — всё это снижает потребление воды, энергии и выбросы CO2. Таким образом, оптимизация флокуляции — это не только про качество, но и про устойчивое развитие.
Заключение
Флокулы — невидимые глазу сгустки в бумажной массе — оказываются одним из ключей к созданию бумаги будущего. Rheo-OCT открывает новое измерение в их исследовании, позволяя понять, как структура и движение влияют на свойства конечного продукта. Использование микрофибриллированной целлюлозы и современных добавок может сделать бумагу не только прочнее, но и дешевле, легче, экологичнее.
