"خميرسازي شيميايي مکانيکي از اوکاليپتوس و مقايسه آن با خميرهاي شيميايي اوکالپتوس"

چکيده مطلب:

متن حاضر پيشرفتهاي تکنولوژيکي در خمير سازي شيميايي مکانيکي را نشان مي دهد و پيشرفته ترين تکنولوژي خميرسازي شيميايي مکانيکي را که P-RC APMP  مي باشد را معرفي مي نمايد.

نتايج آزمونهاي مختلف تکنولوژي P-RC APMP بر روي گونه هاي چوبي اوکاليپتوس آمريکاي جنوبي در زير ارائه گرديده است. پس از آن خميرهاي حاصل از P-RC APMP گونه هاي اوکاليپتوس با خميرهاي شيميايي حاصل از همين گونه و ساير خميرهاي شيميايي پهن برگان که در حال حاضر بطور وسيعي در بازار صنايع مورد استفاده قرار مي گيرند، ارائه گرديده است . نتايج نشان مي دهد که خميرهاي P-RC APMP اوکاليپتوس از نظر خواص کاغذ سازي قابل مقايسه و حتي بهتر از خميرهاي BCTMP موجود در بازار که در حال حاضر در صنعت مورد استفاده قرار مي گيرند، هستند.

زمانيکه خميرهاي P-RC APMP در مقايسه با خميرهاي شيميايي اوکاليپتوس قرار مي گيرند، اين خميرها حجيمي بالايي در قدرت پيوند دهي الياف دارند( شاخص کشش) و از نظر مقاومت به کشش با خميرهاي شيميايي قابل مقايسه مي باشند. خصوصيت حجيمي بالاي خميرهاي P-RC APMP باعث گزينش پذيري بيشتر استفاده آنها از چوب اوکاليپتوس در بسياري از موارد استفاده کاغذ در صنايع مي گردد.

لغات کليدي : اوکاليپتوس ، P-RC APMP، BCTMP  ، خصوصيات خمير وکاغذ سازي.

 

معرفي:

در سالهاي اخير رشد فزاينده اي در استفاده از گونه هاي پهن برگ با دانسيته بالا در صنعت خمير و کاغذ رخ داده است که گونه هاي مختلف چوبي اوکاليپتوس هم از اين قاعده مستثني نيستند. بطور سنتي اين مواد در  فرآيندهاي خمير سازي شيميايي مورد استفاده قرار مي گرفتند و بيشتر سوزني برگان براي خميرسازي شيميايي مورد استفاده بودند. خميرسازي شيميايي با اوکاليپتوس بطور کلي خميري با بازده بسيار پايين در حدود 40 تا 50 درصد مي دهد و خميرهاي توليد شده توسط فرآيندهاي خميرسازي شيميايي بطور معمول حجيمي پايين و خواص نوري کمي در مقايسه با ساير تکنولوژيهاي خمير سازي از خود نشان مي دهند. همانطور که صنايع به دنبال راندمان بالا و حجيمي و خصوصيات نوري بهتر مي گشتند، خصوصيات چاپ پذيري و درجات کاغذ در تکنولوژيهاي خميرسازي شيميايي با بازده بالا مورد توجه قرار گرفت که بازده بالا ( 80% به بالا ) و خصوصيات نوري و حجيمي خوبي را ارائه مينمود. در تحقيقات حاضر مقايسه اي بين خميرهاي شيميايي ( کرافت) و خميرهاي شيميايي مکانيکي پهن برگان و مخلوط اين دو نوع خمير نه تنها باعث حجيمي و خصوصيات نوري بالاتر مي گردد ، بلکه مقاومت پيوند بين الياف نيز بهبود مي يابد( شاخص کشش ).

بطور سنتي سه فرآيند پيش تيمار متفاوت در خميرسازي مکانيکي اوکاليپتوس وجود دارد که عبارتند از سوداي سرد( CCS) سولفيت قليايي ( CTMP)  يا سولفيت قليايي خميرسازي گرمايي مکانيکي و جديدترين آنها پراکسيد(APMP يا خميرسازي مکانيکي پراکسيد قليايي ) . در طي سالهاي گذشته تحقيقات منظم و پيشرفتهايي در  آزمايشگاه هاي شرکت ANDRITZ و آزمايشگاه هاي R&D در اوهايوي آمريکا صورت گرفته که ارزيابي و مقايسه تيمارهاي متفاوت و موارد استفاده گونه هاي اوکاليپتوس آمريکاي جنوبي صورت گرفته است. بعضي از اين نتايج در کنفرانسها و مقالات مختلف به چاپ رسيده اند . با توجه به مطالعات انجام گرفته تکنولوژي پيشرفته P-RC APMP  مورد توجه قرار گرفت. اين تکنولوژي پيش تيماري ملايم( P ) با موهد شيميايي و سپس تيمار شيميايي به همراه ريفاينر ( پالايشگر) و براي تيمار شيميايي اصلي ( به منظور بهبود روشني الياف و ساير خواص خمير ) صورت ميگيرد.

لغت P-RC به منظور نشان دادن اهميت اين پيش تيمار و تيمار شيميايي به همراه پالايشگر و تاثيرات ممکن بين اين دو عمل را نشان مي دهد. اين فرآيند با APMP که با تيمار شيميايي بر روي چيپسها قبل از عمل پالايش صورت مي گيرد ، متفاوت است. همچنين با سفيدسازي در ريفاينر که بدون پيش تيمار و تماما بر روي سفيدسازي در ريفاينر صورت مي گيرد ،متفاوت است. مقالات مختلفي در رابطه با جزئيات فرآيند P-RC APMP و آخرين پيشرفتها و تفاوت آن با فرآيندهاي شيميايي مکانيکي به چاپ رسيده است.

به منظور فعاليتهاي صنعتي فرآيند P-RC APMP  که بطور ساده در شکل شماره 1 نشان داده شده ، طراحي گرديده است.

مواد خام يا چيپسها ابتدا توسط مواد شيميايي آغشته سازي مي شوند. آغشته سازي کل سيستم ممکن است 1 تا 3 مرحله داشته باشد. در شکل دو مرحله اي نشان داده شده است. به هر حال بطور کل اين نوع آغشته سازي براي بسياري از کاربردها کافي مي باشد. در آغشته سازيهاي چند مرحله اي ، مرحله اول بطور کلي مواد شيميايي کمتري نسبت به مراحل بعد دريافت مي دارد وبيشترين مواد شيميايي سفيدسازي در مرحله پاياني اضافه مي گردد. درهر مرحله آغشته سازي ، چيپسها ابتدا به مدت 10 تا 30 دقيقه تيمار حرارتي شده و سپس در يک پرس با فشار بالا تحت فشار قرار مي گيرند. ليکور شيميايي مورد استفاده بعد از اين مرحله پرس اعمال مي گردد. فشار آزاد شده در هنگام برداشته شدن از روي چيپسها کمک مي کند تا مواد شيميايي به داخل چيپسها نفوذ نمايند.

در آخرين مرحله آغشته سازي به چيپسها اجازه داده مي شود که زمان ماندگاري بيشتر شده و قبل از پالايش چيپسها چه بصورت فشاري و يا بدون فشار آغشته سازي بهبود يابد.بعد از پالايش خمير ممکن است به صورت مستقيم مورد استفاده قرار گرفته و يا به برج ذخيره سازي به منظور کامل شدن فعل و انفعالات شيميايي در زمان کافي منتقل گردد.

پس از پايان فعاليتهاي شيميايي خمير شسته شده و تحت پرس مياني قرار گرفته يا مستقيما به مخزن ذخيره سازي منتقل مي گردد و يا به پالايشگر ثانويه منتقل مي شود. در پايان اين مرحله خمير تمامي تيمارهاي شيميايي را دريافت کرده و باقي فرآيند مربوط به پالايش ، غربال ، شستشو و ساير کارهاي آماده سازي خمير براي ساير قسمتهاي سيستم مي باشد.

شکل شماره 1 : نمونه اي از طرح شماتيک فرآيند P-RC APMP  بطور ساده .

مواد لازم براي آزمايش :

چوب : مواد براي اين فرآيند از گرده بينه اي که به همراه پوست از کشورهاي مختلف آمريکاي جنوبي در سنين 6 تا 9 سال تهيه مي گرديد. قبل از شروع فرآيند اين گرده بينه ها پوست کني و چيپس مي شوند.

فرآيند  P-RC APMP : به منظور پيش تيمار قليايي پراکسيد قليايي 2 تا 3 مرحله آغشته سازي توسط دستگاه مدل 560 GS  شرکت ANDRITZ بر روي چيپسها اعمال مي گردد. جزئيات تيمار شيميايي فرآيند P-RC APMP  در قسمتهاي ديگر توضيح داده خوهد شد . مقدار مواد شيميايي مورد استفاده در مراحل پيش تيمار متفاوت است :

هيدروکسيد مورد استفاده از 4% تا 9% و هيدروژن پراکسيد از 2% تا 7%   ( همگي بر مبناي وزن خشک چيپس ) ، علاوه بر آن از تثبيت کننده هاي پراکسيد ( DTPA ، سيليکات سديم  و سولفات منيزيوم ) استفاده مي گردد.

پالايش : خرده چوبهاي آغشته سازي شده توسط دستگاه ريفاينر ديسکي دوبل با قطر 914 ميلي متر تحت فشار اتمسفر پالايش گرديد ( مدل 401 شرکت ANDRITZ ).

تست خمير : کاغذهاي دست ساز ساخته شده همگي بر اساس استانداردهاي TAPPI  مورد آزمايش قرار گرفته اند.

نتيجه و بحث :

خصوصيات خمير فرآيند P-RC APMP  :

 به منظور فهم اينکه خصوصيات خمير تحت شرايط اين فرآيند چگونه بهبود مي يابد، اين مطلب مهم مي باشد که شرايط فرآيند چگونه تحت تاثير قرار مي گيرند و مهمتر از آن اين مطلب مهم است که خصوصيات خمير استحصالي چگونه با نوع فرآيند بطور مستقل يا کاملا حساس به آن قرار دارد .اين خصوصيات براي مقايسه اين فرايند با ساير فرآيندها در مواد اوليه يکسان يا در مقايسه با موادچوبي مختلف در يک نوع فرايند مهم مي باشد. همانطور که در بالا مورد بحث قرار گرفت ، فرآيند P-RC APMP بسيار انعطاف پذير مي باشد. خصوصيات خمير در شاخص درجه رواني ثابت مي تواند در انرژيهاي پالايش متفاوت و مقادير متفاوت مواد شيميايي به آساني تغيير نمايد. تحقيقات گذشته برروي تيمار شيميايي در خميرسازي مکانيکي اوکاليپتوسهاي آمريکاي جنوبي  و صنوبر لرزان آمريکاي شمالي اين مطلب را اذعان مي دارد که در يک روش خمير سازي شيميايي- مکانيکي ارتباط نزديکي بين خصوصيات خمير مکانيکي و ميزان مصرف انرژي فرايند شيميايي بطور مستقل وجود دارد.خصوصيات مقاومتي کاغذ دست ساز مانند کشش ، پارگي و ترکيدن همگي به نوعي به دانسيته کاغذ دست ساز ارتباط دارند. به همين دليل تلاشهايي براي مطابقت آن با تحقيقات حاضر صورت گرفته است.

 Aucalyptus Grandis از آمريکاي جنوبي :

E. Grandis از کشورهاي آرژانتين ، برزيل ، پاراگوئه و ونزوئلا مورد بررسي قرار گرفته اند. شکل شماره 2 مقاومت به کشش کاغذ دست ساز اين گونه ها را نشان مي دهد. همانطور که از تحقيقات قبلي انتظار مي رفت رشدي خطي در نمودار نسبت کشش به دانسيته تمامي اين گونه ها ديده مي شود. در تمامي اين گونه ها اين مقدار به صورت کم يا زياد با يک رابطه مشخص ادمه مي يابد.

رابطه ميان مواد شيميايي و انرژي پالايش مصرفي مستقل از يکديگرند. در استفاده از مقدار مواد شيميايي زياد و يا انرژي مصرفي بالا مقاومت به کشش خوب ( > 50 N.m/g) بدست مي آيد که براي بسياري از مصارف کاغذسازي کافي مي باشد.

نتايج حاصل از جذب انرژي کششي ( T.E.A) ، که خصوصيت مهمي براي کاغذسازي مي باشد در شکل شماره 3 نشان داده شده است. گونه هاي E. Grandis آرژانتين ، پاراگوئه و ونزوئلا خصوصيات T.E.Aمشابهي از خود نشان مي دهند ، ولي گونه برزيلي تا حدودي T.E.A کمتري مخصوصا در مقاومت به کششهاي بالا از خود نشان مي دهد. در شاخص کشش 50 N.m/g T.E.A گونه برزيلي به حدود 38 ژول بر متر مربع مي رسد و اين عدد براي ساير گونه ها 42 ژول بر متر مربع مي باشد. اين اعداد نيز براي بسياري از فرآيندهاي کاغذسازي مناسب و خوب هستند.

گونه هاي مختلف اوکاليپتوس :

چهار گونه مختلف اوکاليپتوس (E.grandis,E.pilularis,E.dunny and E.urophylla)از برزيل و گونه E.saligna از پاراگوئه در اين تحقيق مورد مقايسه قرار گرفته اند . گونه E.Saligna  براي مقايسه با گونه هاي ديگر برزيلي مورد استفاده بوده که قبلا گزارش گرديده است .

شکل شماره 4 مربوط به نتايج آناليز کشش به دانسيته مي باشد . در يک دانسيته ثابت مقدار عددي گونه  E.Saligna از کشور پاراگوئه مانند گونه E.grandis  از کشور برزيل مي باشد ، و ساير گونه هاي اوکاليپتوس شاخص کشش پايينتري از خود نشان مي دهند(تقريبا حدود 8N.m/g). رابطه بين کشش و دانسيته براي گونه هاي مورد مطالعه به صورت خطي بوده است.

رابطه بين T.E.A به کشش در گونه هاي مورد مطالعه همانطور که در شکل شماره 5 مي بينيد مانند گونه هاي ديگر بوده است . تنها مقداري کاهش براي T.E.A  در گونه E.grandis در کشش هاي بالاتر از 30 N.m/g . مقدار T.E.A کوچکتر از 50 ژول بر متر مربع مي تواند در شاخص هاي کشش بزرگتر از 55N.m/g به دست آيد.

شکل شماره 6 : خميرهاي اوکاليپتوس متفاوت با خصوصيات ذاتي خمير آنها .

شکل شماره 7 : خميرهاي پهن برگ متفاوت با خصوصيات ذاتي خمير آنها .

P-RC APMP و خميرهاي شيميايي حاصل از اوکاليپتوس:

خميرسازي شيميايي روشي مطلوب در آمريکاي جنوبي براي تبديل گونه هاي اوکاليپتوس به خمير مي باشد. بنابراين توجيهي براي مقايسه فرايند P-RC APMP با خميرهاي شيميايي وجود دارد. شکل شماره 6 خصوصيات ذاتي خمير حاصل از گونه هاي اوکاليپتوس و روش هاي مختلف خميرسازي را نشان مي دهد. خمير شيميايي E.grandis به عنوان نمونه شاهد در نظر گرفته شده است و خميرهاي شيميايي موجود در بازار اوکاليپتوس که توسط شرکت BHKP از کشور برزيل که در پالايشگري با درصد خشکي پايين با کشش به دانسيته هاي متفاوت پالايش شده اند مورد مقايسه قرار گرفته اند. همانطور که مي توانيد ببينيد ، خميرهاي P-RC APMP از چوبهاي اوکاليپتوس مورد مطالعه ، حتي گونه هايي مانند E.dunny,E.pilularis و E.urophylla همگي خصوصيات ذاتي بهتري از خمير شيميايي E.grandis و محصول موجود در بازار BHKP حاصل از اوکاليپتوس ، دارند و همگي آنها از خاصيت حجيمي بالا در کشش ثابت يا کشش بالا در حجيمي ثابت نسبت به خميرهاي شيميايي برخوردار هستند. اين مطالب در جاهاي ديگر در مورد گونه هاي پهن برگ نيز گزارش شده است. همانطور که بعدا بحث خواهيم کرد ، خصوصيات حجيمي کاغذ دست ساز براي بسياري از موارد کاغذ سازي مهم مي باشد . خصوصيات حجيمي بالاي خمير فرايند P-RC APMP  اين مطلب را اظهار مي دارد که حجيمي مهم است و براي خواص ظاهري بهتر نسبت به خميرهاي شيميايي لازم است. به بيان ديگر ، فرايند P-RC APMP گزينه بهتري براي تبديل چوب اوکاليپتوس به خمير براي عملکردهاي ذکر شده مي باشد.

پتانسيل هاي کاغذ سازي :

خمير هاي مکانيکي اوکاليپتوس به مدت طولاني در صنايع کاغذ سازي مورد استفاده بوده است که موارد استفاده آن بيشتر در کاغذ روزنامه بوده ، در سال هاي اخير اين موارد با اضافه شدن مواد افزودني افزايش يافته و در کاغذهاي بهداشتي و کاغذهاي چاپ و تحرير مورد استفاده قرار گرفته اند. تکنولوژي پيشرفته خميرسازي و سفيد کردن مانند P-RC APMP در سالهاي اخير باعث توليد خميرهاي شيميايي مکانيکي با کيفيت بالا از اوکاليپتوس با درصد روشني بيشتر از 85 درصد در مقياس ISO و افزايش وسيع علاقه جهاني براي اين فرايند در صنعت کاغذ سازي به ويژه در کاغذ هاي با روشني بالا گرديده است. يکي از راههاي فهميدن بهتر خمير اوکاليپتوس حاصل از P-RC APMP در اين تحقيق مقايسه اين خمير با خميرهاي شيميايي مکانيکي حاصل از پهن برگان مانند خميرهاي BCTMP که در حال حاضر در بازار صنايع مورد استفاده قرار مي گيرد ، مي باشد. شکل شماره 7 خصوصيات ذاتي خميرهاي P-RC APMP اوکاليپتوس را در مقايسه با دو گونه مطلوب پهن برگ حاصل از فرايند BCTMP که از گونه صنوبر لرزان و افراي آمريکاي شمالي را نشان مي دهد. همانطور که ميبينيد خميرهاي P-RC APMP اوکاليپتوس خصوصيات ذاتي بسيار بهتري نسبت به خميرهاي BCTMP مذکور دارند و در دانسيته يا حجيمي ثابت خصوصيات کشش بالاتري از خود نشان مي دهند.

کاغذهاي با درجه روشني بالا :

خميرهاي حاصل از فرايند BCTMP صنوبر لرزان در اواخر دهه 1980 به طور وسيعي در ساخت انواع کاغذ مانند کاغذهاي چاپ و تحرير و کاغذها و حوله هاي بهداشتي مورد استفاده بوده اند . دليل استفاده زياد از خمير BCTMP صنوبر لرزان به دليل خواص عملياتي خوب آن مانند شکل گيري خوبي صفحه ، و حجيمي و روشني خوب صفحه مي باشد. جدول شماره 2 مقايسه اي کلي بين خمير BCTMP صنوبر لرزان موجود در بازار و خمير اوکاليپتوس حاصل از فرايند P-RC APMP مي باشد. همانطور که ميبينيد در مقاومت به کشش ثابت گونه هاي اوکاليپتوس حجيمي بسيار بالايي را نشان ميدهند(0.5 سانتي متر مکعب در شاخص کشش 50 N.m/g ) همينطور خصوصيت ماتي و ضريب پخش نور نيز زياد است. اين مطلب به خمير APMP اوکاليپتوس امتيازاتي را در مقايسه با BCTMP صنوبر لرزان در موارد استفاده در روشني بالا مي دهد. حجيمي بالا در موارد استفاده کاغذهاي بهداشتي باعث بهبود نرمي کاغذ و در کاغذهاي چاپ و تحرير باعث بهبود يکنواختي سطح کاغذ مي گردد . ماتي بالا و ضريب پخش نور خوب باعث بهبود چاپ پذيري کاغذهاي چاپ و تحرير و مشکلات پشت نمايي مي گردد.

 

جدول شماره 2 : خمير P-RC APMP اوکاليپتوس در مقايسه با BCTMP صنوبر لرزان.

صفحات کاغذ با کيفيت بالا :

خميرهاي مکانيکي شيميايي پهن برگان سالهاست که براي مصرف کاغذ سازي به کار مي روند. هر دو گونه صنوبر لرزان و افرا بدين منظور مصرف مي گردند. براي ساخت کاغذهاي چند لايه افزودن پهن برگان باعث بهبود آهاردهي ، صافي سطح ، خاصيت تا خوردن مخصوصا زماني که از اين مواد در لايه مياني کاغذ استفاده گردد. در مورد اين کاربرد افرا از خواص بهتري برخوردار است. اين بهبود خواص در افرا به دليل خاصيت حجيمي بهتر خمير BCTMP افرا نسبت به صنوبر لرزان مي باشد. خاصيت حجيمي بالا نه تنها سفتي تا خوردن را بهبود مي بخشد بلکه خصوصيات تا خوردن مانند مقاومت به تا خوردن (تا پذيري) و قابليت برش کناره ها که در عمليات کاغذ سازي مهم مي باشند ، مي گردد.

جدول شماره 3 مقايسه اي بين خمير P-RC APMP اوکاليپتوس و خمير BCTMP افراي کانادايي انجام داده است که در ساخت کاغذ هاي چند لايه مورد استفاده قرار گرفته اند. همان طور که ميبينيد در مقاومت به کشش ثابت خمير APMP حجيمي بالاتر را نشان مي دهد و همان طور که انتظار مي رفت خمير P-RC APMP خواص بهتري را نسبت به خمير مورد مقايسه نشان مي دهد.حجيمي بالاتر باعث بهبود مقاومت به خمش و خواص تا خوردن مي گردد.

جدول شماره 3 : خمير P-RC APMP اوکاليپتوس در مقايسه با خمير BCTMP افرا.

 

مقايسه اي در ميان گونه هاي اوکاليپتوس مورد مطالعه:

با توجه به پتانسيل هاي کاغذ سازي ، گونه هاي اوکاليپتوس مورد مطالعه در حين تحقيق با توجه به خصوصيات حجيمي به دو گروه جداگانه تقسيم مي شوند :

گروه 1 :E.grandis,E.saligna

گروه 2 :E.pilularis,E.dunny,E.urophylla

گروه 1 در مقاومت به کشش ثابت از حجيمي بالاتري نسبت به گروه 2 برخوردار است و همان طور که انتظار مي رفت از عملکرد بهتري در کاغذ سازي و به عنوان الياف افزودني از خود نشان مي دهد.

نتيجه گيري :

در اين متن آخرين تکنولوژي ساخت خمير شيميايي مکانيکي ، P-RC APMP معرفي گرديد.در استفاده از اين تکنولوژي جديد گونه هاي اوکاليپتوس مورد مطالعه قرار گرفتند که از خصوصيات مقاومتي خوبي برخوردار بودند(>50 N.m/g شاخص کشش).خميرها همچنين از خواص نوري خوبي برخوردار بودند(روشني بيشتر از 80% در مقياس ISO و پراکندگي نور بيشتر از 40 مترمربع بر کيلوگرم ).خميرهاي P-RC APMP اوکاليپتوس در کل داراي خصوصيات مقاومتي T.E.A مشابه هستند.اگر چه در مقاومت به کشش ثابت گونه E.grandis و E.saligna داراي حجيمي بالاتري نسبت به گونه هاي E.pilularis و E.dunny و E.urophylla از برزيل هستند.چوب گونه E.grandis از مبادي کشورهاي ديگر نيز داراي خصوصيات ذاتي مشابه با اين خميرها مي باشد.

زماني که خميرهاي شيميايي اوکاليپتوس را با گونه هاي خمير شده اوکاليپتوس P-RC APMP مقايسه مي نماييم خميرهاي اخير داراي خصوصيات ذاتي بهتري هستند و اين خميرها مي توانند از نظر مقاومت به کشش خواصي مشابه با خميرهاي شيميايي داشته باشند.

با توجه به خواص آناليز شده کاغذهاي دست ساز ، خميرهاي P-RC APMP اوکاليپتوس پتانسيل کاربردي خوبي را در زمينه الياف افزودني و کاغذ سازي از خود نشان مي دهند.در کل اين خميرها خواص ذاتي خوب در مقايسه با خميرهاي شيميايي اوکاليپتوس و ساير خميرهايBCTMP    پهن برگان که در حال حاضر در صنعت مورد استفاده قرار مي گيرند را دارا مي باشند.