Công nghệ sản xuất giấy

• Tên học phần: Công nghệ sản xuất giấy (Papermaking Technology) • Mục tiêu học phần: Kiến thức cơ bản về lựa chọn nguyên liệu, chuẩn bị nguyên liệu, xeo giấy. • Nội dung: Chương 1. Vật liệu xơ sợi trong sản xuất giấy Chương 2. Nghiền vật liệu xơ sợi Chương 3. Gia keo Chương 4. Phụ gia sử dụng trong sản xuất giấy Chương 5. Chuẩn bị bột để xeo giấy Chương 6. Xeo giấy Chương 7. Giới thiệu công nghệ sản xuất một số loại giấy thông dụng

CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT GIẤY

Giới thiệu học phần

• Tên học phần: Công nghệ sản xuất giấy (Papermaking Technology)

• Mục tiêu học phần: Kiến thức cơ bản về lựa chọn nguyên liệu,

chuẩn bị nguyên liệu, xeo giấy.

Giới thiệu học phần

• Nội dung:

Chương 1 Vật liệu xơ sợi trong sản xuất

giấy Chương 2 Nghiền vật liệu xơ sợi

Chương 3 Gia keo

Chương 4 Phụ gia sử dụng trong sản xuất

giấy Chương 5 Chuẩn bị bột để xeo giấy

Chương 6 Xeo giấy

Chương 7 Giới thiệu công nghệ sản xuất một số loại giấy thông dụng

Chương 1 Vật liệu xơ sợi trong sản xuất giấy

Nội dung chương 1

1.1 Định nghĩa, phân loại giấy, lịch sử giấy

1.2 Nguyên liệu sản xuất giấy

1.3 Thành phần hóa học, cấu trúc ngoại vi của xơ sợi

1.4 Tính chất hình thành tờ giấy của vật liệu xơ sợi

1.5 Xu hướng phát triển của sản xuất giấy

1.1 Định nghĩa, phân loại giấy, lịch sử giấy

1.1 Định nghĩa, phân loại giấy, lịch sử giấy

Lịch sử

• Trước khi có giấy, con người viết lên cái gì?

• Quốc gia nào là nơi đầu tiên phát minh ra giấy?

1.1 Định nghĩa, phân loại giấy, lịch sử giấy

• Máy xeo đầu tiên:

• 1799: Nicholas Louis phát minh ra máy xeo

• 1810: Henry và Sealy Fourdriner hoàn thiện máy xeo

• 1805: Joseph Bramah phát minh ra máy xeo tròn

1.1 Định nghĩa, phân loại giấy, lịch sử giấy

Lịch sử nghề giấy Việt Nam

• Thế kỷ thứ III SCN: Người Việt ở Giao Châu sản xuất ra giấy

mật hương (làm từ vỏ cây mật hương)

• TK IV: Sản xuất giấy từ nhiều loại nguyên liệu khác nhau như vỏ

dó, rêu biển, đặc biệt là giấy trầm hương

• Phát triển liên tục qua các triều đại phong kiến, hai loại giấy nổi tiếng là giấy dó và giấy sắc phong.

1.2 Nguyên liệu sản xuất giấy

Nguyên liệu sản xuất giấy là gì?

• Bất kỳ loại cây gỗ nào?

• Bất kỳ loại cây phi gỗ nào?

1.3 Thành phần hóa học và cấu trúc ngoại vi của xơ sợi

1.3.1 Xenluloza

• Thành phần chính, tạo khung sườn cho tế bào

• Hàm lượng 40-55% tùy loại nguyên liệu

• Hợp chất cao phân tử: mắt xích C 6 H 10 O 5 , mỗi mắt xích

có 3 nhóm OH tự do

• Các mắt xích nối với nhau bằng liên kết 1,4-β-D-glycozit

• Độ dài 200-5000 nm, tương đương độ trùng hợp

5000- 10000

• Gỗ lá kim: hemixenluloza chủ yếu là hexozan

• Gỗ lá rộng: hemixenluloza chủ yếu pentozan

1.3.3 Lignin

• Chất liên kết trong thành tế bào, giữa các tế bào

• Các mắt xích là phenyl propan

1.3.4 Cấu trúc ngoại vi của xơ sợi

• Thành tế bào chia nhiều lớp

1.3.4 Cấu trúc ngoại vi của xơ sợi

1.3.5 Tính chất hình thành giấy của vật liệu xơ sợi

• Tính chất của xơ sợi nguyên thủy ảnh hưởng đến tính

1.5 Xu hướng phát triển của sản xuất giấy

• Tái sinh tối đa nguồn xơ sợi

• Làm rõ xuất sứ nguồn xơ sợi

• Giảm tác động của sản xuất đến môi trường

CHƯƠNG 2 NGHIỀN BỘT GIẤY

TS Nguyễn Trung Thành

Nội dung chương 2

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền 2.3 Tác động của nghiền lên tính chất của giấy

2.4 Các phương pháp nghiền

2.5 Đánh tơi bột

2.6 Nghiền xenluloza trong môi trường không khí

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền

Tại sao phải nghiền?

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền

• Quá trình nghiền: Dùng lực cơ học tác dụng lên xơ sợi xenluloza trong hỗn hợp bột nước , làm biến đổi về mặt cấu trúc hoá lý nhằm đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng của mặt hàng giấy.

• Độ nghiền: o SR (Schopper-Riegler)

• Nồng đồ bột 3-5%

• Dao bay gắn trên roto, dao đế gắn trên stato

• Xơ sợi được nghiền giữa dao bay và dao đế qua 4 giai đoạn

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền

Dao nghiền

Máy đo độ nghiền

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền

Giai đoạn 1:

Lưỡi dao bay tiến gần đến lưỡi

dao đế khi đó các xơ sợi được

bắt lên đầu lưỡi dao tạo thành

tập hợp các bó xơ sợi chứa chủ

yếu là nước

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền

Giai đoạn 2:

Các bó xơ sợi ở giữa 2 lưỡi dao

bị ép, chà sát vào nhau mạnh

làm cho nước ở trong các bó xơ

sợi bị đẩy ra ngoài, các xơ sợi

ngắn có khả năng kết tụ kém

cũng bị đẩy ra còn các xơ sợi dài

được giữ lại và bị nghiền.

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình nghiền

Giai đoạn 3:

Do áp lực nghiền, các xơ sợi bị

trượt lên nhau, tách rời nhau , xơ

sợi bị phân tơ chổi hóa, cắt

ngắn.

Giai đoạn 4:

Xơ sợi ra khỏi vùng nghiền, hút

nước trở lại

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền

2.2.1 Ảnh hưởng của áp lực nghiền

2.2.2 Ảnh hưởng của thời gian nghiền

2.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nghiền

2.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ bột

2.2.5 Ảnh hưởng bởi pH

2.2.1 Ảnh hưởng của áp lực nghiền P ng (kg/cm 2 )

• Yếu tố quyết định đến toàn bộ tính chất của bột

• Nghiền gián đoạn: P ng là lực do lô dao chuyển động và trọng lượng bản thân lô dao

• Nghiền liên tục: P ng là lực do lô dao quay + áp lực bột vào

• Áp lực nghiền riêng P

• P lớn cắt ngắn nhiều 𝑃 = 𝑃 𝑛𝑔

• S phụ thuộc vào: Chiều dày dao, vật liệu 𝑆 làm dao, khe hở giữa hai

dao

2.2.2 Ảnh hưởng của thời gian nghiền

• Yếu tố phụ thuộc các yếu tố khác

2.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nghiền

• Nhiệt độ thay đổi như thế nào trong quá trình nghiền?

2.2.4 Ảnh hưởng của nồng độ bột

• Yếu tố quan trọng

2.2.4 Ảnh hưởng của pH

• pH axit: 3,1  6

• pH trung tính: 6  8,5

• pH kiềm: 9  10,5

2.3 Tác động của quá trình nghiền lên xơ sợi, tính chất giấy

2.3.1 Tác động lên đặc tính xơ sợi

2.3.2 Tác động lên tính chất giấy

2.3.1 Tác động lên đặc tính xơ sợi

• Tác động lý học: Cắt, xé, phân tơ, chổi hóa

• Tác động hóa học: Tạo ra các nhóm OH tự do trên bề mặt xơ sợi

2.3.2 Tác động của QT nghiền lên tính chất giấy

• Độ bền cơ lý của giấy: khả năng chịu đựng những lực tác dụng

từ bên ngoài

• Là tính chất quan trọng nhất với hầu hết các loại giấy

Giấy khác nhau yêu cầu độ bền cơ lý khác nhau.

• Các chỉ tiêu cơ bản: độ chịu kéo, độ chịu xé, độ chịu bục,

độ chịu gấp, độ bền bề mặt, độ bền ướt.

• Các yếu tố ảnh hưởng: độ bền bản thân xơ sợi; các chất phụ gia, độn; điều kiện công nghệ quá trình sản xuất bột giấy và

giấy

2.3.2 Tác động của QT nghiền lên tính chất giấy

• Liên kết hydro: khoảng tác dụng 0,24-0,27nm.

• Nguồn gốc liên kết hydro trong giấy?

• Các phương pháp tạo liên kết hydro trong giấy?

• Liên kết VanderWaal: khoảng tác dụng 0,28-0,5nm.

• Lực đan dệt

2.3.2.1 Tác động của QT nghiền lên độ bền kéo

• Khái niệm độ chịu kéo hay chiều dài đứt

• Lực kéo tối đa tấm giấy chịu được tính trên 1 đơn vị chiều rộng tấm

2.3.2.1 Tác động của QT nghiền lên độ bền kéo

• Độ bền kéo phụ phuộc vào

liên kết giữa các xơ sợi; chiều dài và độ bền bản thân xơ sợi.

2.3.2.2 Tác động của QT nghiền lên độ bền xé

• Chiều dài xơ sợi và khả năng giãn của giấy, ít phụ thuộc

vào liên kết giữa các xơ sợi

2.3.2.2 Tác động của QT nghiền lên độ bền xé

• Độ bền xé phụ thuộc vào chiều dài xơ sợi và khả năng giãn của giấy, ít phụ thuộc vào liên kết giữa các xơ sợi

2.3.2.2 Tác động của QT nghiền lên độ chịu bục

• Khái niệm

• Độ chịu bục: bằng áp lực không khí cao nhất mà bề mặt tấm

giấy có thể chịu được trước khi bị thủng.

• Thông số quan trọng của giấy bao gói ximămg, giấy làm túi xách.

• Các yếu tố ảnh hưởng

• Phụ thuộc cả vào chiều dài xơ sợi và liên kết giữa các xơ sợi

2.3.2.2 Tác động của QT nghiền lên độ chịu bục

• Độ bền xé phụ thuộc vào chiều dài xơ sợi và khả năng giãn của giấy, ít phụ thuộc vào liên kết giữa các xơ sợi

6 5 1

3

2 7

2.4 Các phương pháp nghiền

• Phương pháp nghiền rời thớ ngắn

• Phương pháp nghiền rời thớ vừa

• Phương pháp nghiền rời thớ dài

• Phương pháp nhuyễn rời thớ

ngắn

• Phương pháp nhuyễn rời thớ vừa

• Phương pháp nhuyễn rời thớ dài

• Đặc điểm của phương pháp: Nồng độ bột nhỏ; Áp

lực đánh bột cao; Tốc độ thay đổi áp lực nghiền nhanh; Thời gian đánh bột giảm

• Đặc điểm của sản phẩm thu được: Khả năng thoát

nước của giấy nhanh; Độ bền của giấy không cao;

Độ nghiền không cao

• Đặc điểm của phương pháp: Nồng độ bột

cao; Áp lực đánh bột không cao; Thời gian đánh bột dài

• Đặc điểm của bột thu được:: Khả năng

thoát nước của giấy chậm; Độ nghiền cao:

Độ bền của giấy cao: Tốcđộ thay đổi áp lực

nghiền chậm

60

2

740

CHƯƠNG 3 GIA KEO NỘI BỘ

(Internal sizing)

TS Nguyễn Trung Thành

Nội dung chương 3

3.1 Giới thiệu

3.2 Gia keo nhựa thông ở pH axit

3.3 Gia keo trong môi trường trung tính và kiềm 3.4 Keo tăng bền khô

3.5 Keo tăng bền ẩm

3.1 Giới thiệu

• Lý do giấy có tính thấm hút?

3.1 Giới thiệu

Loại gia keo Thực hiện ở đâu? Vai trò?

Gia keo nội bộ Bổ sung hóa chất gia

keo trong CĐ chuẩn bị

bột

Tăng khả năng chống thấm hút chất lỏng

Gia keo bề mặt Tráng phủ lên bề mặt

giấy Tăng độ bền bề mặt, độ bền ướt, tính

chất bề mặt

3.2 Gia keo nhựa thông ở pH axit

3.2.1 Nhựa thông và keo nhựa thông

3.2.2 Cơ chế gia keo nhựa thông

3.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng gia keo 3.2.4 Chuẩn bị keo nhựa thông

3.2.5 Khó khăn khi gia keo nhựa thông

3.2.6 Gia keo nhựa thông trong môi trường trung tính

3.2.1 Nhựa thông và keo nhựa thông

3.2.1 Nhựa thông và keo nhựa thông

Keo nhựa thông

• Nhựa thông không tan trong nước

• Cách phân tán: keo xà phòng, keo phân tán

• Keo xà phòng

• Dạng hồ độ nhớt cao

• Dạng dung dịch nhũ hóa độ nhớt thấp

• Keo bột khô

3.2.1 Nhựa thông và keo nhựa thông

Keo xà phòng

• Dạng hồ độ nhớt cao

• Hàm lượng chất khô 70-80%

• Axit nhựa tự do: 5-25%

• Bơm, chứa, vận chuyển ở điều kiện nhiệt độ 70-80 0 C

• Pha loãng theo hai cấp: Cấp 1 bằng nước nóng đến

nồng độ 10-15%; cấp 2 bằng nước lạnh đến nồng độ 5%.

3-• Thường được bổ sung vào bể máy

3.2.1 Nhựa thông và keo nhựa thông

Keo xà phòng

• Dung dịch nhũ hóa có độ nhớt thấp

• Hàm lượng chất khô 40-60%

• Có thể pha loãng bằng nước lạnh đến nồng độ bất kỳ

• Chi phí vận chuyển, bảo quản thấp hơn keo dạng hồ

độ nhớt cao

• Chứa nhiều kiềm, ít nhựa hơn

• Chi phí sản xuất cao hơn

• Độ ổn định cao, đưa vào bơm quạt được

3.2.1 Nhựa thông và keo nhựa thông

Keo xà phòng

• Dạng bột khô

• Không chứa axit béo tự do

• Giá thành khá cao, ít sử dụng đại trà

• Có thể bổ sung vào bất cứ vị trí nào trong dây chuyền

mà không cần pha loãng

3.2.1 Nhựa thông và keo nhựa thông

• Kích thước trung bình của hạt keo 0,2-0,4 µm

• Chất ổn định keo: Casein,

3.2.2 Cơ chế gia keo nhựa thông

Bốn điều kiện để gia keo thành công

• Nhựa resinat nhôm kết tủa phải có năng lượng bề mặt tự do thấp và khả năng đẩy nước cao, nghĩa là góc tiếp xúc lớn với giọt nước.

• Keo kết tủa phải còn nằm lại và dính đều đến mức có thể trên bề mặt xơ sợi.

• Keo kết tủa phải định hướng đều trên bề mặt xơ sợi.

• Resinat trên bề mặt xơ sợi có thể chuyển thành màng ổn định với năng lượng tự do thấp và màng không bị tác động thậm chí khi tiếp xúc với chất lỏng.

3.2.2 Cơ chế gia keo nhựa thông – Keo xà phòng

• Xơ sợi xenluloza trong huyền phù bột mang điện tích âm

• Keo nhựa thông xà phòng hóa hay keo nhựa thông phân tán cũng là anion

• Nhựa kết tủa lên bề mặt xơ sợi nhờ sulfat

nhôm Al 2 (SO 4 ) 3 → 2 Al 3+ + 3 SO 4

2-2Al 3+ + 6H 2 O ↔ [Al(H 2 O) 6 ] 3+ ↔ 2Al(OH) 3 + 6H +

• Hình thành Al-resinat

3.2.2 Cơ chế gia keo nhựa thông – Keo xà phòng

• Resinat Natri (Ab) tác dụng với cation Al 3+

[Al(H 2 O) 6 ] 3+ + Ab -  [Al(OH)(H 2 O) 5 ] 2+ + HAb

(Axit nhựa) [Al(OH)(H 2 O) 5 ] 2+ + Ab -  [AlAb(OH)(H 2 O) 4 ] + + H 2 O

(Al-monoresinat) [Al(OH)(H 2 O) 5 ] 2+ + 2Ab -  [AlAb 2 (OH)(H 2 O) 3 ] + 2H 2 O

(Al-diresinat)

3.2.2 Cơ chế gia keo nhựa thông – Keo xà phòng

• Quá trình sấy

3.2.2 Cơ chế gia keo nhựa thông – Keo phân tán

• Các hạt anion là các hạt keo kích thước 0,2-0,5 µm, thành phần 90% axit tự do.

• Mỗi hạt chứa các phân tử axit nhựa, chỉ các phân tử bề mặt tham gia phản ứng.

3.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia keo

Ảnh hưởng của pH đến tỷ lệ bổ sung hóa

chất khi gia keo axit nhựa tự do

3.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình gia keo

• Độ cứng của nước: Ca 2+ và Mg 2+

• Hàm lượng độn sử dụng

• Xenluloza sunphat chưa tẩy > xenluloza sunphat tẩy trắng

> bột cơ > xenluloza sunphit tẩy trắng > xenluloza đã làm giàu

> xenluloza sunphit chưa tẩy

• Hàm lượng hemixenluloza trong bột

3.3 Keo tăng bền khô

Độ bền của giấy phụ thuộc vào độ bền của xơ sợi và liên kết giữa các xơ sợi, số liênkết và phân bố của các liên kết (sự hình thành tờ giấy) Phụ gia bền khô tăng cường mộttrong các yếu tố này, nhưng không phải là làm tăng độ bền của xơ sợi

Độ bền của mạng lưới xơ sợi có thể được tăng lên bằng cách tăng độ nghiền để tăng

số liên kết giữa các vi xơ Liên kết hydro giữa các xơ sợi là quan trọng nhất, ngoài ra còn

có các lực liên kết khác như liên kết hóa trị, liên kết ion và liên kết Van der Waals Mặc

dù liên kết hydro yếu, đặc biệt trong môi trường nước, nhưng nó làm tăng độ bền của tờgiấy nhờ có số lượng rất lớn

Độ bền của giấy có thể cải thiện nhờ thay đổi tỷ lệ sợi dài và sợi ngắn phù hợp,giảm hàm lượng độn, hay bổ sung phụ gia tăng bền khô Thay đổi các quá trình côngnghệ cũng có thể thay đổi độ bền, ví dụ cải thiện sự hình thành tờ giấy, tăng pH hay bổsung hệ ép ướt

Tuy tăng độ nghiền của bột là biện pháp thông dụng để tăng độ bền, song để tránhnhững tác động bất lợi khi tăng độ nghiền thì phương án được lựa chọn là bổ sung phụgia tăng bền khô Chất tăng bền khô thường là polyme tự nhiên hay tổng hợp, ưa nước,tan trong nước như tinh bột, gôm thực vật, CMC, polyme tổng hợp…

3.3.1 Tinh bột

Hình 3.8 Phân tử amyloza và amylopectin

Nguồn tinh bột có thể từ khoai tây, ngô, lúa mì, lúa mạch, sắn… Tinh bột không tantrong nước lạnh Khi hỗn hợp được đốt nóng, tinh bột bắt đầu hòa tan Ở nhiệt độ nhấtđịnh, tinh bột bắt đầu geletin hóa và độ nhớt của dung dịch tăng lên Độ nhớt tiếp tục tăngđến khi các phân tử tinh bột bắt đầu rời xa nhau và lúc này độ nhớt giảm Khi dung dịchđược làm mát, các phân tử tinh bột tập hợp với nhau bởi liên kết hydro, và độ nhớt mộtlần nữa lại tăng lên Trong dung dịch loãng, các phân tử tinh bột lắng xuống đáy thùngchứa, nhưng trong dung dịch đặc, chúng tạo thành gel cấu trúc không gian ba chiều Hiệntượng này được gọi là sự “thoái hóa”

3.3.1.1 Tinh bột biến tính

1

Tinh bột biến tính có thể phân loại theo hai cách: hóa học và tính lưu biến.

Bảng 3.1 Phân loại tinh bột biến tính

Photphat hóaTạo cầu nối không gian

Depolyme hóa(Thay đổi tínhlưu biến)

Chuyển hóa Enzym

Nhiệt cơ Nhiệt hóaOxy hóa Na hypoclorat

Hydro peroxytThủy phân Axit

Nhiệt phân Dextrin hóa

3.3.1.2 Tinh bột cation

Phản ứng giữa tinh bột và tác nhân cation hóa, sản phẩm có điện tích dương trongkhoảng pH 4-9:

Hình 3.9 Phản ứng giữa tinh bột và tác nhân cation hóa

Trình tự bổ sung và lượng tinh bột cation bổ sung là yếu tố rất quan trọng để đạthiệu quả mong muốn Độ bền cao nhất đạt được khi tinh bột hấp phụ lên xơ sợi dài Bổsung tinh bột vào huyền phù bột giấy làm tăng độ bền tốt hơn bổ sung ở ép keo

Khi tinh bột cation bổ sung ngay trước hòm áp lực, nó đóng vai trò chất trợ bảo lưu.Tinh bột cation còn hỗ trợ thoát nước, nhưng vì nó cũng liên kết với nước nên lượng bổsung phải hợp lý Quá trình thoát nước có thể được tăng cường khi sử dụng tinh bộtcation biến tính

2

Hình 3.10 Ảnh hưởng của tinh bột cation đến thoát nước của giấy tráng nhẹ

3.3.2 Gôm thực vật

Là polyme cacbohydrat chứa galactoza và mannoza Tỷ lệ của hai đường này phụthuộc vào bản chất của hạt, thường thì một đơn vị galactoza nối với hai mannoza Khiđưa vào bột giấy, gôm thực vật bổ sung nguồn hemixenluloza tự nhiên trong liên kết củagiấy thông qua lực van der Waals và liên kết hydro

Hình 3.11 Cấu tạo của cacbohydrat galactomannan

3.3.3 CMC

CMC là dẫn xuất của xenluloza, tan trong nước Vì CMC là anion nên cần cation Al

để bảo lưu trên xơ sợi CMC dùng tăng độ bền khô cho sản xuất các loại giấy đặc biệt dogiá thành cao

3.3.4 Phụ gia tổng hợp

Phụ gia thông dụng nhất là polyacrylamit (PAM) Đây là polyme mạch thẳng vớikhối lượng phân tử trung bình từ vài nghìn đến vài triệu, không tích điện; tuy nhiên cóthể biến tính thành polyme cation hay anion Sử dụng PAM cation không cần trợ bảo lưu.Còn trong trường hợp dùng PAM anion phải bổ sung phèn

3.4 Keo tăng độ bền ẩm cho giấy

Keo để tăng độ bền ẩm của giấy là nhóm hoá chất quan trọng trong sản xuất Nóđược dùng cho sản xuất một số loại giấy, tuy nhiên cũng chiếm 4-5% tổng sản lượng(khoảng 10 triệu tấn giấy/năm) Hàng năm trên thế giới sử dụng 400.000-500.000 tấnnhựa với giá khoảng 470 triệu USD

3