Технология производства растительного пергамента

 

Основа вырабатывается в рулонах; ширина рулона равна рабочей ширине пергаментной машине. Из приведенных в табл.2 данных можно сделать вывод, что особенностью бумаги-основы, предназначаемой для изготовления пергамента растительного, является высокая впитываемость жидкости при значительной механической прочности.

Пропитка бумаги серной кислотой – главный (основной) технологический  процесс превращения неклееной  бумаги-основы в растительный пергамент, который при этом приобретает  указанные выше технические свойства. Чем быстрее и глубже впитывает  бумага-основа серную кислоту, тем выше качество пергаментации бумаги. Хорошая  пергаментация улучшает качественные показатели растительного пергамента: жиро- и водонепроницаемость, воздухопроницаемость, светопроницаемость, механическую прочность.

Хорошая впитываемость бумагой-основой  кислоты способствует работе пергаментной машины на более высокой скорости, т.е. повышается производительность труда. Чрезмерно высокая впитываемость бумаги-основы обусловит обратный, отрицательный результат – повысится обрывность бумажного полотна.

Просвет бумаги должен быть ровным, чтобы обеспечить получение  растительного пергамента с равномерной  прозрачностью. Наличие скоплений  волокон обусловливает неравномерную по толщине полотна пергаментацию волокон, ухудшает показатели жиро- и водонепроницаемости, прозрачности и влагопрочности растительного пергамента.

На поверхности бумаги не допускается наличие крупинок песка, угля, шлака, так как в процессе пергаментации они выпадают, образуя  в полотне отверстия. Наличие  видимых невооруженным глазом отверстий, рассеянных по полотну бумаги, увеличивает  воздухопроницаемость, ухудшает жиро- и водонепроницаемость растительного  пергамента. Крупные отверстия, дыры, выдирки, концы в полотне обусловливают обрывность полотна при прохождении на пергаментной машине, что снижает производительность труда бригады и машины, увеличивает расход волокна и химических веществ на выработку растительного пергамента.

При наличии на поверхности  бумаги капелек масла места эти  не пергаментируются, полотно растительного  пергамента покрывается белыми, беспорядочно распределенными пятнами, крапинами, снижаются прозрачность, светопроницаемость и равномерность просвета растительного  пергамента.

Бумага-основа должна быть равномерной  по сухости; при неравномерной сухости  растительный пергамент не имеет  равномерного просвета, поверхность  его коробится (морщинится).

Волнистость бумаги-основы при ее пергаментировании обусловливает образование морщин, складок и обрывов полотна на пергаментной машине.

 

2.2 Используемые  химикаты.

 

Для выработки растительного  пергамента применяются следующие  химикаты:

кислота серная техническая  по ГОСТ 2184-77;

сода кальцинированная по ГОСТ 5100-85;

глицерин дистиллированный по ГОСТ 6824-76 с плотностью при температуре 20 ⁰С не менее 1,2604 г/см³;

пероксид водорода по ГОСТ 177-77 с массовой долей пероксида 30…40%.

Чистая 100 %-ная серная кислота, называемая моногидратом, представляет собой маслянистую жидкость, застывающую  в кристаллическую массу при  температуре +10 ⁰С. В производстве растительного пергамента используют техническую серную кислоту, контактную улучшенную, имеющую следующие показатели качества:

массовая доля моногрида (Н₂SO₄) – 92,5…94,0 %;

массовая доля железа (Fe) – не более 0,006 %;

массовая доля остатка  после прокаливания – не более 0,02 %;

массовая доля оксидов  азота (N₂O₃) – не более 0,00005 %;

массовая доля мышьяка (Аs) – не более 0,00008 %;

массовая доля хлористых  соединений (Сl) – не более 0,0001 %;

массовая доля свинца (Рb) – не более 0,001%.

Серная кислота смешивается  с водой в любых соотношениях с выделением значительного количества тепла. Разогревание смеси сопровождается разбрызгиванием, поэтому при смешивании серной кислоты с водой соблюдают  большую осторожность, приливая серную кислоту в воду (но не наоборот!) малыми порциями при тщательном помешивании  смеси.

При химических реакциях серная кислота интенсивно поглощает водяные  пары из воздуха и воду. При действии на органические вещества она обугливает их, отнимая воду. Этим объясняется ее разрушающее действие на растительные и животные ткани. Разбавленная серная кислота энергично реагирует с металлами.

С повышением температуры  объем кислоты увеличивается, а  плотность уменьшается. В зависимости  от температуры вводятся поправочные  коэффициенты (табл.2.1).

 

 

 

Таблица 2.1

Значения поправочных  коэффициентов для определения  концентрации растворов серной кислоты

Плотносто серной кислоты, г/см3	Поправочный коэффициент  на 1 0С	Плотносто серной кислоты, г/см3	Поправочный коэффициент  на 1 0С
1,000…1,170 1,170…1,450 1,450…1,580	±0,0006 ±0,0007 ±0,0008	1,580…1,750 1,750…1,820 1,820…1,840	±0,0009 ±0,0010 ±0,0008

 

Регенерация отработанной серной кислоты осуществляется путем ее упаривания в вакуум-выпарных аппаратах.

Отработанная серная кислота  концентрацией около 45 % (плотность  около 1,35 г/см³) подвергается осветлению пероксидом водорода в сборной емкости, откуда через расходомер и преднагреватель насосом подается в циркуляционную линию серной кислоты вакуум-выпарного аппарата периодического действия.

В преднагревателе кислота  подогревается до температуры 50…60 ⁰С конденсатом, поступающим из нагревателя через сборник конденсата, оснащенный автоматическим регулятором уровня, связанным с конденсатным насосом. Из преднагревателя конденсат поступает в сборную емкость. При наличии протечки кислоты в нагревателе или преднагревателе конденсат автоматически направляется в емкость нейтрализации сточных вод. Наличие кислоты в конденсате контролируется датчиком проводимости раствора.

Поступившая в циркуляционную линию отработанная кислота попадает в нагреватель (трубчатый теплообменник), где нагревается до температуры 85…90 ⁰С насыщенным паром с температурой 140..145 ⁰С. При разряжении в системе 4,5 кПа происходит интенсивное испарение воды и укрепление кислоты. Разрежение создается водокольцевым вакуум-насосом и поддерживается в системе автоматически, с помощью контура регулирования вакуума в конденсаторе.

Из вакуум-выпарного аппарата упаренная кислота с концентрацией 66…68 % поступает в эмалированную  емкость, в которой постоянно  поддерживается определенный уровень  кислоты (гидрозатвор). Из нее через  промежуточный бачок кислота  при помощи насоса перекачивается в  емкость рабочего раствора кислоты.

Парогазовая смесь из вакуум-выпарного  аппарата удаляется вакуумным насосом  через конденсатор, где пар конденсируется технологической водой. Конденсат  направляется в сборник, оснащенный регулятором уровня. Неконденсирующиеся газы удаляются из конденсатора вакуумным насосом в атмосферу.

 

2.3 Процесс пергаментации.

 

Пергаментация бумаги-основы состоит в кратковременном воздействии  на нее серной кислоты с плотностью 1,56…1,59. При этом протекают одновременно два основных процесса: физико-химический – набухание волокон и химический – их гидролиз [1].

При действии кислоты на бумагу-основу в пергаментирующей ванне  кислота пропитывает целлюлозные  волокна, заполняет вначале пустоты  между отдельными волокнами, затем – микропространства между фибриллами волокон и макромолекулами; разобщает их – происходит набухание. Макромолекулы раздвигаются, удаляются друг от друга, межмолекулярные и внутримолекулярные связи ослабевают, а затем разрываются.

При набухании волокон  физико-химическое состояние их изменяется: увеличивается внутренняя поверхность, уменьшается истинная плотность  целлюлозы, возрастает гигроскопичность. С технологической точки зрения это положительный процесс, позволяющий  придавать бумаге ряд технических свойств, которыми должен обладать растительный пергамент. Набухшие волокна целлюлозы из-за ослабления и разрыва водородной связи в составляющих их макромолекулах уплотняются при мокром прессовании, дают сильную усадку при сушке. В результате возрастают плотность, механическая прочность и масса 1 м² пергаментированной бумаги. При массе 1 м² бумаги-основы 58..67 г масса 1 м² растительного пергамента достигает 66…74 г. Следовательно, масса 1 м² растительного пергамента увеличивается относительно массы 1 м² исходной бумаги-основы на 10…13 %.

Как указывалось выше, в  процессе пергаментации бумаги-основы одновременно с физико-химическим процессом набухания целлюлозных волокон протекает химическая реакция гидролиза. Целлюлоза по способности гидролизоваться относится к группе трудногидролизуемых углеводов. Конечным продуктом гидролиза целлюлозы является глюкоза. Реакция гидролиза целлюлозы выражается уравнением

 

(С₆Н₁₀О₅)_n + nH₂O → С₆Н₁₂О₆

                                 Целлюлоза                   Глюкоза

 

Гидролиз целлюлозы до глюкозы протекает не сразу. В  процессе реакции гидролиза образуется ряд промежуточных продуктов. Кислотный  гидролиз целлюлозы протекает по схеме: целлюлоза → гидроцеллюлоза → декстрины целлюлозы (целлодекстрины) → целлобиоза → глюкоза. Гидроцеллюлоза, образующаяся в начальной стадии гидролиза, представляет собой смесь  целлюлозы и продуктов ее распада.

При химическом взаимодействии кислоты с целлюлозой при реакции  гидролиза происходит набухание, а  затем распад (деполимеризация) макромолекул целлюлозы; рвутся глюкозидные связи, соединяющие глюкозные остатки,  появляются целлодекстрины, представляющие собой обрывки макромолекул целлюлозы различной длины. В процессе гидролиза длина молекул целлодекстринов уменьшается, при достаточном количестве воды целлодекстрины распадаются до гекса-, тетра-, три-, и дисахаров и в конечном итоге до глюкозы. Эти низкомолекулярные продукты гидролитического распада целлюлозы растворяются в кислоте.

Скорость гидролиза возрастает с увеличением температуры и  концентрации кислоты. На практике при  повышении температуры кислоты  в пергаментирующей ванне выше 20 ⁰С полотно бумаги теряет целостность, как бы растворяется в кислоте ванны; его трудно, а иногда и невозможно заправить между углами отжимного пресса. Это свидетельствует о потере волокнами структурной целостности, т.е. волокна разрушены процессом гидролиза.

Обрывки полотна бумаги-основы не всегда удается извлечь из пергаментирующей ванны. Волокна целлюлозы в кислоте  ванны со временем распадаются до продуктов конечной стадии гидролиза  – сахаров. Они растворяются в  кислоте, частично окисляются, а некоторые  в виде «обрывков» волокон оседают  на дне пергаментирующей ванны. Некоторое количество этих веществ уносится полотном в кислотоулавливающие ванны, далее, с отработанной кислотой – в отдел регенерации кислоты. Процесс гидролиза волокон при пергаментации крайне нежелателен.

Теоретически в процессе пергаментации бумаги желательно достигнуть разрыва водородных связей у максимального  количества макромолекул и минимального укорачивания длины макромолекул целлюлозы, составляющей волокнистую композицию бумаги, т.е. процесс пергаментации  бумаги ограничить в рамках процесса набухания волокон. Практически  это в значительной мере достигается  выбором параметров режима пергаментации  бумаги.

В результате процесса пергаментации  волокнистая структура листа  фактически исчезает, уступая место  более или менее однородной студнеобразной массе, состоящей из набухших, потерявших свою форму волокон и распределенного между ними амилоида из продуктов деструкции целлюлоза [2].

При пергаментации бумаги серная кислота с целлюлозой и  продуктами ее гидролитического распада  химических соединений не образует. Кислота, содержащаяся в полотне пергаментированной бумаги, впоследствии полностью удаляется  прессованием, прополаскиванием, водной промывкой и нейтрализацией полотна.

На степень пергаментации  бумаги и качество растительного  пергамента влияют следующие факторы:

композиция – волокнистый  состав бумаги;

качество бумаги-основы;

концентрация кислоты;

температура кислоты в  пропитывающей и пергаментирующей ваннах;

время пребывания бумаги в  кислоте (продолжительность пергаментации).

Влияние первых двух факторов уже рассматривалось выше.

Концентрация и температура  серной кислоты, заполняющей пропиточную  и пергаментирующую ванны, продолжительность пребывания бумаги в них обусловливаются видом вырабатываемого растительного пергамента.

Все операции по превращению  бумаги-основы в растительный пергамент  выполняются на пергаментной (пергаментирующей) машине: пергаментация бумаги-основы серной кислотой → промывка вначале растворами кислоты, затем водой → нейтрализация → промывка водой от щелочи → пластификация → сушка → каландрирование → наматывание в рулоны.