NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ CHẾ ĐỘ NGHIỀN ĐẾN ĐỘ CHỊU KÉO VÀ ĐỘ BẢO LƯU CHẤT ĐỘN CỦA GIẤY

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Trong quá trình sản xuất giấy các nhà máy thường sử dụng khả năng thoát nước của bột trên lưới xeo gọi là độ nghiền để đánh giá chất lượng bột nhưng thự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

************************

HUỲNH NGỌC HƯNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ CHẾ ĐỘ NGHIỀN

ĐẾN ĐỘ CHỊU KÉO VÀ ĐỘ BẢO LƯU

CHẤT ĐỘN CỦA GIẤY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 03/2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

************************

HUỲNH NGỌC HƯNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ CHẾ ĐỘ NGHIỀN

ĐẾN ĐỘ CHỊU KÉO VÀ ĐỘ BẢO LƯU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ CHẾ ĐỘ NGHIỀN ĐẾN ĐỘ

CHỊU KÉO VÀ ĐỘ BẢO LƯU CHẤT ĐỘN CỦA GIẤY

Hội khoa học Lâm Nghiệp

4 Phản biện 2: TS HOÀNG XUÂN NIÊN

Đại học Lâm Nghiệp 2

5 Ủy viên: TS HOÀNG THỊ THANH HƯƠNG

Đại học Nông Lâm TP HCM

LÝ LỊCH CÁ NHÂN

Tôi tên là Huỳnh Ngọc Hưng sinh ngày 26 tháng 01 năm 1986 tại huyện Đức hòa, tỉnh Long an

Tốt nghiệp PTTH tại trường THPT Đức hòa, tỉnh Long An năm 2004

Tốt nghiệp Đại học ngành Công nghệ sản xuất giấy và bột giấy, hệ chính quy tại Đại học Nông lâm TP HCM

Công tác tại Khoa Lâm nghiệp, trường Đại học Nông lâm TP HCM, chức vụ: giảng viên

Tháng 10 năm 2009 theo học Cao học ngành Kỹ thuật máy thiết bị và công nghệ gỗ giấy tại trường đại học Nông Lâm, Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh

Địa chỉ liên lạc: Khoa Lâm nghiệp, trường đại học Nông lâm TP HCM Điện thoại: 0933 915 640

Email: hung_huynhlongan86@yahoo.com

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất cứ công trình nào khác

Chữ ký của học viên

Huỳnh Ngọc Hưng

CẢM TẠ

Sau một thời gian nghiên cứu tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp với tên

đề tài: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các chế độ nghiền đến độ chịu kéo và độ bảo lưu chất độn của giấy

Để có thể hoàn thành tốt luận văn, ngoài sự cố gắn của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của nhiều cơ quan, tổ chức, các nhà máy giấy và thầy cô giáo,…

Nhân đây tôi xin chân thành cảm ơn:

- TS Phan Trung Diễn, giáo viên trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài

- Các thầy cô giáo trong khoa Lâm nghiệp và bộ môn Công nghệ giấy và bột giấy trường đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho tôi kiến thức quí báu trong suốt khóa học

- Thầy Hoàng Văn Hòa, giám đốc trung tâm nghiên cứu giấy và bột giấy trường

ĐH Nông lâm TP HCM, đã tạo điều kiện cho tôi sử dụng phòng thí nghiệm trong thời gian làm đề tài

- Cô Trần Thị Kim Chi, người quản lý phòng thí nghiệm trung tâm nghiên cứu giấy và bột giấy trường ĐH Nông lâm TP HCM đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện thí nghiệm

- Ban chủ nhiệm khoa Lâm Nghiệp và ban giám hiệu trường đại học Nông Lâm

TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực hiện đề tài

- Công ty giấy Tân Mai đã cung cấp các tài liệu tham khảo quí báu cho nội dung nghiên cứu của đề tài

- Công ty giấy Duy Hưng đã cho tôi sử dụng phòng thí nghiệm trong thời gian làm đề tài

Học viên thực hiện

Huỳnh Ngọc Hưng

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các chế độ nghiền đến độ chịu kéo và độ bảo lưu chất độn của giấy” được tiến hành tại trường đại học Nông lâm TP HCM từ 16/03/2011 đến 16/09/2011 Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mối quan hệ của một số chế độ nghiền bột giấy và độ chịu kéo của giấy tạo thành, từ đó tìm ra chế độ nghiền bột tối ưu cho độ chịu kéo; xây dựng mối quan hệ của một số chế độ nghiền bột và độ bảo lưu chất độn CaCO3 của giấy, từ đó tìm ra chế độ nghiền tối ưu cho độ bảo lưu chất độn; xây dựng mối quan hệ đa mục tiêu của chế

độ nghiền đến độ chịu kéo và độ bảo lưu chất độn của giấy cacton

Đề tài nghiên cứu đã xây dựng được phương trình hồi qui độ chịu kéo Y1 của giấy với các chế độ nghiền gồm 3 yếu tố ở dạng mã hóa: thời gian nghiền X1, nồng

Project has built a regression equation of the strength Y1 with the grinding modes of three factors in encrypted form: grinding time X1, concentration of pulp

X2 and pH of pulp X3 is:

MỤC LỤC TRANG

Trang chuẩn y i

Lý lịch cá nhân ii

Lời cam đoan iii

Cảm tạ iv

Tóm tắt v

Mục lục vii

Danh sách các chữ viết tắt x

Danh sách các hình xi

Danh sách các bảng xiii

MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của đề tài 1

Mục đích của đề tài 2

Mục tiêu của đề tài 2

Phạm vi đề tài 3

Chương 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Các tác động của nghiền lên xơ sợi 4

1.2 Ảnh hưởng của nghiền lên tính chất giấy 5

1.2.1 Đối với tính chất cơ học của giấy 5

1.2.1.1 Tính kháng gấp 5

1.2.1.2 Tính kháng xé 6

1.2.1.3 Tính kháng bục 6

1.2.1.4 Khả năng liên kết sợi 7

1.2.1.5 Sức căng của tờ giấy 8

1.2.2 Ảnh hưởng lên tính chất quang học của giấy 8

1.2.2.1 Độ đục của tờ giấy 8

1.2.2.2 Khả năng phân tán ánh sáng 9

1.2.2.3 Độ trắng ISO 9

1.3 Diễn tiến của quá trình nghiền 10

1.3.1 Bột trong các dao nghiền 10

1.3.2 Các giai đoạn sợi bị nghiền 11

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền 11

1.4.1 Vật liệu xơ sợi ban đầu 12

1.4.2 Về thiết bị 12

1.4.3 Các chế độ nghiền 13

1.5 Sự bảo lưu chất độn 20

1.5.1 Khái niệm về sự bảo lưu 20

1.5.2 Các cơ chế bảo lưu của chất độn 20

1.5.3 Các thông số bảo lưu phổ biến 23

1.6 Các nghiên cứu trên thế giới 25

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Nội dung nghiên cứu 28

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

2.2.1 Phương pháp lý thuyết 28

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 29

2.2.2.1 Vật liệu 29

2.2.2.2 Dụng cụ đo 29

2.2.2.3 Phương pháp đo 33

2.2.2.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 33

2.2.2.5 Cơ sở lựa chọn các thông số thí nghiệm 25

2.2.2.6 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 38

2.2.3 Sơ đồ tiến hành thí nghiệm 41

2.2.4 Mô tả quá trình tiến hành thí nghiệm 42

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 Độ bền kéo của giấy 46

3.1.1 Xeo tờ handsheet 46

3.1.2 Đo độ bền kéo của giấy 47

3.2 Độ bảo lưu chất độn của giấy 49

3.2.1 Độ tro của bột CTMP và chất độn CaCO3 49

3.2.2 Hàm lượng chất độn trong giấy và độ bảo lưu chất độn 51

3.3 Kết quả thực nghiệm và thống kê ở ma trận bậc I 54

3.3.1 Hàm độ chịu kéo Y1 55

3.3.2 Hàm độ bảo lưu Y2 55

3.4 Kết quả thực nghiệm và thống kê ở ma trận bậc II 56

3.4.1 Hàm độ chịu kéo Y1 57

3.4.1.1 Phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến độ chịu kéo 57

3.4.1.2 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu đến độ chịu kéo 60 3.4.2 Hàm độ bảo lưu Y2 62

3.4.2.1 Phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào đến độ bảo lưu chất độn 62

3.4.2.2 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu đến độ bảo lưu 64 3.5 Kết quả tính toán tối ưu hoá 66

3.5.1 Khái niệm thông số tối ưu và chỉ tiêu tối ưu 66

3.5.2 Các bài toán tối ưu 66

3.5.2.1 Tối ưu hóa hàm mục tiêu Y1 67

3.5.2.2 Tối ưu hóa hàm mục tiêu Y2 68

3.5.2.3 Tối ưu hóa hàm đa mục tiêu Y1 và Y2 68

3.6 Nhận xét và đánh giá 70

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 72

Kết luận 72

Đề nghị 73

TÀI LIÊU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 76

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CTMP Chemi-Thermo Mechanical Pulp Bột hóa nhiệt cơ

FPR First Pass Retention Độ bảo lưu đầu

GCC Grounding Calcium Carbonate Bột canxi cacbonat nghiền Handsheet the sheet maked by hand Tờ giấy xeo tay

MR Machine Retention Độ bảo lưu máy

PCC Precipitated Calcium Carbonate Bột canxi cacbonat kết tủa

SR Schopper Reigler Độ nghiền (Độ giữ nước)

SR System Retention Độ bảo lưu hệ thống

VPPA Vietnam Pulp and Paper Association Hiệp hội giấy Việt Nam TAPPI: Technical Association Of The Pulp And Paper Industry

DANH SÁCH CÁC HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Nghiền bột gỗ cứng nấu theo phương pháp Kraft 4

Hình 1.2: Tính kháng gấp và năng lượng nghiền 5

Hình 1.3: Tính kháng xé và năng lượng nghiền hữu hiệu 6

Hình 1.4: Độ kháng bục và năng lượng nghiền 7

Hình 1.5: Khả năng liên kết sợi và năng lượng nghiền 7

Hình 1.6: Sức căng và năng lượng nghiền 8

Hình 1.7: Năng lượng nghiền và độ đục 8

Hình 1.8: Khả năng phân tán ánh sáng và năng lượng nghiền 9

Hình 1.9: Độ trắng ISO 9

Hình 1.10: Bột trong các dao nghiền 10

Hình 1.11: Các giai đoạn sợi bị nghiền 11

Hình 1.12: Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả nghiền 11

Hình 1.13: Kết quả nghiền bột ở nồng độ cao và thấp 14

Hình 1.14: Mối liên hệ giữa tốc độ quay của rotor và năng lượng nghiền 15

Hình 1.15: Cấu tạo một xec-măng, gồm có 16

Hình 1.16: Mối liên hệ giữa lực cắt riêng SEL và năng lượng nghiền tiêu thụ 17

Hình 1.17: Độ nghiền và năng lượng nghiền riêng 18

Hình 1.18: Góc tiếp xúc giữa hai dao 19

Hình 1.19: Đồ thị thể hiện tác động của năng lượng nghiền lên lực kéo sợi 19

Hình 1.20: Sự thoát nước và bảo lưu theo cơ chế bẩy cơ học 21

Hình 1.21: Bảo lưu chất độn theo cơ chế hóa học 23

Hình 2.1: Cân định lượng giấy 29

Hình 2.2: Máy đánh tơi bột giấy 29

Hình 2.3: Máy nghiền bột giấy 30

Hình 2.4: Máy xeo giấy tay 31

Hình 2.5: Thiết bị cắt mẫu đo độ chịu kéo của giấy 31

Hình 2.6: Máy đo độ chịu kéo của giấy 32

Hình 2.7: Lò nung xác đinh độ tro 32

Hình 2.8: Bài toán hộp đen 34

Hình 2.9: Xơ sợi không xử lý xút ở độ nghiền 30SR 37

Hình 2.10: Xơ sợi có xử lý xút ở độ nghiền 30SR 37

Hình 2.11: Sơ đồ tiến hành thí nghiệm 41

Hình 3.1: Tờ handsheet đạt tiêu chuẩn 47

Hình 3.2: Mẫu giấy đo độ chịu kéo 48

Hình 3.3: Mẫu bột CTMP 50

Hình 3.4: Kích thước mẫu giấy nung xác định độ tro 52

Hình 3.5: chuẩn bị mẫu nung 52

Hình 3.6: Ảnh hưởng của các hệ số hồi qui đến độ chịu kéo của giấy 59

Hình 3.7: Đồ thị Y1 – X1 – X2 60

Hình 3.8: Đồ thị Y1 – X1 – X3 61

Hình 3.9: Đồ thị Y1 – X2 – X3 61

Hình 3.10: Sự ảnh hưởng của các hệ số hồi qui đến độ bảo lưu chất độn 63

Hình 3.11: Đồ thị Y2 – X1 – X2 64

Hình 3.12: Đồ thị Y2 – X1 – X3 65

Hình 3.13: Đồ thị Y2 – X2 – X3 65

DANH SÁCH CÁC BẢNG

TRANG

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật với loại máy nghiền đĩa đôi Voith Sulzer 13

Bảng 1.2: Chiều dài và số lượng các xec-măng trong máy nghiền 16

Bảng 1.3 : Kích thước của các thành phần trong huyền phù bột 22

Bảng 2.1: Ma trận thí nghiệm trực giao bậc I dạng mã hóa 35

Bảng 2.2: Giá trị thực của các mức thí nghiệm 37

Bảng 2.3: Các giá trị thực của các mức thí nghiệm ở các cánh tay đòn 39

Bảng 2.4: Bảng ma trận thí nghiệm bậc II dạng bất biến quay 39

Bảng 3.1: Kết quả đo độ chịu kéo của giấy 48

Bảng 3.2: Độ tro của bột CTMP và của chất độn CaCO3 51

Bảng 3.3: Hàm lượng chất độn trong mẫu nung và độ bảo lưu chất độn 53

Bảng 3.4: Kết quả thực nghiệm theo bố trí trực giao bậc I 54

Bảng 3.5: Kết quả thực nghiệm theo bố trí trực giao bậc II 56

Bảng 3.6: Kết quả tối ưu hóa của hàm Y1 67

Bảng 3.7: Kết quả tối ưu hóa của hàm Y2 68

Bảng 3.8: Kết quả tối ưu hóa của hàm YC 69

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Trong quá trình sản xuất giấy các nhà máy thường sử dụng khả năng thoát nước của bột trên lưới xeo gọi là độ nghiền để đánh giá chất lượng bột nhưng thực

tế cho thấy rằng bột giấy có cùng một độ nghiền như nhau nhưng được nghiền ở các chế độ nghiền khác nhau như: thời gian nghiền, nồng độ bột trong máy nghiền,

pH của bột, khoảng cách dao nghiền…thì tính chất của xơ sợi bột cũng khác nhau dẫn đến các đặc tính cơ lý của giấy khác nhau, sự hình thành và cấu trúc tờ giấy cũng khác nhau dẫn đến khả năng bảo lưu của chất độn và các thành phần mịn cũng khác nhau Mặt khác nghiền cũng là khâu tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong quá trình sản xuất giấy Vì vậy việc xác định ra một chế độ nghiền tối ưu về mặt kỹ thuật là rất cần thiết (Batchelor, 1999)

Vấn đề khó khăn nhất đối với ngành giấy trong nước là nguồn nguyên liệu

gỗ ngày càng giảm, giá thành của nguyên liệu từ gỗ tự nhiên thường cao nên giá thành sản phẩm cũng cao, làm giảm tính cạnh tranh và hiệu quả sản xuất Từ đó, vấn đề sử dụng chất độn để nâng cao hiệu quả sản xuất là rất cần thiết bởi ngoài việc giảm được chi phí sản xuất, hạ giá thành sản phẩm vì giá thành của chất độn rẽ hơn nhiều so với giá của bột giấy, ngoài ra chất độn còn có khả năng cải thiện được một số tính chất của giấy, đặc biệt là tăng độ trắng, tính chất rất quan trọng đối với giấy viết Tuy vậy việc sử dụng chất độn trong sản xuất giấy cũng gặp một số khó khăn Ngoài việc ảnh hưởng không tốt đến tính chất cơ lý của giấy thì khả năng giữ lại chất độn trong kết cấu của tờ giấy cũng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố công nghệ, đặc biệt là tính chất của xơ sợi sau nghiền, làm ảnh hưởng đến độ đồng đều của sản phẩm và giảm hiệu quả sử dụng của chất độn (Cao Thị Nhung, 2003)

Quá trình sản xuất giấy có sử dụng chất độ CaCO3 tại các nhà máy có độ bảo lưu thấp từ 40% đến 60% Nếu tăng lượng hóa chất trợ bảo lưu để tăng khả năng sử dụng chất độn thì độ bền cơ lý của giấy không đạt yêu cầu, và tiêu tốn nhiều hóa chất, tăng giá thành sản phẩm

Các nghiên cứu trên thế giới chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của từng yếu tố riêng lẽ đến độ chịu kéo hoặc độ bảo lưu chất độn của giấy như: thời gian nghiền, nhiệt độ nghiền, nồng độ bột hoặc pH của dòng bột… trong khi một chế độ nghiền bột là tổng hợp của các yếu tố trên thì chưa được nghiên cứu trọn vẹn Các nghiên cứu trên thế giới đã đề cập đến sự ảnh hưởng của quá trình nghiền bột đến một đặc tính của giấy tạo thành như độ chịu kéo, độ chịu bục hoặc độ bảo lưu…, trong khi độ chịu kéo và độ bảo lưu chất độn là hai yếu tố cần phải được quan tâm trong cùng một chế độ nghiền vì đây là hai tính chất có quan hệ mật thiết với nhau, khi độ bảo lưu chất độn càng tăng cao thì độ chịu kéo của giấy càng giảm

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các chế độ nghiền đến tính chịu kéo và khả năng bảo lưu chất độn của giấy” có ý nghĩa thực tiễn và lý thuyết quan trọng, đặc biệt là trong điều kiện ngành giấy của nước ta còn quá non trẻ so với thế giới và chưa có nhiều nghiên cứu về các quá trình nghiền bột

Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài là thiết lập ra một chế độ nghiền tối ưu cho quá trình sản xuất giấy cacton định lượng 160g/m2 từ nguyên liệu bột CTMP chưa tẩy trắng

Mục tiêu của đề tài

Xác định độ chịu kéo của các mẫu giấy xeo từ các mẫu bột được nghiền ở các chế độ nghiền khác nhau từ đó xây dựng mối quan hệ của các chế độ nghiền đến

độ chịu kéo của giấy

Xác định độ tro của bột CTMP và độ tro của chất độn CaCO3 từ đó xác định mức độ phân hủy của chất độn trong điều kiện nung mẫu giấy để xác định độ tro của giấy

Xác định độ tro của các mẫu giấy có sử dụng chất độn xeo từ các mẫu bột được nghiền ở các chế độ nghiền khác nhau từ đó xác định hàm lượng chất độn CaCO3 bảo lưu trong giấy

Xây dựng mối quan hệ của độ chịu kéo và độ bảo lưu chất độn của giấy với các chế độ nghiền từ đó tìm ra chế độ nghiền tối ưu cho độ chịu kéo và độ bảo lưu chất độn cũng như chế độ nghiền tối ưu chung cho cả hai chỉ tiêu

Phạm vi đề tài

Đề tài giới hạn ở việc nghiên cứu quá trình nghiền bột bằng máy nghiền trong phòng thí nghiệm – máy nghiền PFI, bột giấy được chọn để nghiên cứu là bột CTMP chưa tẩy trắng của công ty giấy Tân Mai, chất độn được sử dụng là bột đá nghiền CaCO3 Định lượng giấy là 160g/m2

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Các tác động của nghiền lên xơ sợi (Cao Thị Nhung, 2005)

Hai quá trình chính xãy ra trong quá trình nghiền bột là quá trình chổi hoá xơ sợi và quá trình cắt ngắn xơ sợi Xơ sợi được cấu tạo từ các bó vi xơ, khi chịu tác động nghiền, các vi xơ này được giải phóng một đầu khỏi bó xơ, đầu còn lại vẫn liên kết với nhau trên xơ sợi, đây là hiện tượng sợi bị chổi hoá Sợi bị chổi hoá nhiều thì tăng được diện tích tiếp xúc với nước và với các xơ sợi khác

Hình 1.1: Nghiền bột gỗ cứng nấu theo phương pháp Kraft

Trái ngược với sự chổi hóa là sự cắt ngắn sợi Khi hai cạnh dao tiếp xúc nhau, áp lực tạo ra do chuyển động quay của dao nghiền tải trên một diện tích nhỏ

sẽ gây ra áp suất rất lớn, có thể cắt các đám sợi nằm trong khe nghiền theo chiều dọc, chiều ngang, trong đó cắt ngắn sợi theo chiều ngang là chủ yếu

Ngoài ra, khi lớp tường thứ cấp ít hút nước bị tách ra khỏi sợi, các xơ sợi bên trong hút nước mạnh hơn làm cho xơ sợi trở nên mềm và trương nở Sự hòa tan hay

sự lọc của một số thành phần trong dung dịch: trong sợi có các thành phần tan vô cơ như muối có thể tan được trong nước, khi nghiền, chúng bị tách ra khỏi sợi và bị hoà tan vào hỗn hợp bột - nước Sự phân bố lại hemixenlulo từ bên trong ra bên

ngoài sợi: hemixenlulo có kích thước nhỏ hơn xenlulo, chúng có thể bị tách hẳn khỏi sợi hay tách không hoàn toàn, trở thành các nhánh trên sợi ban đầu, giống như

bị chổi hoá Sự mài mòn bề mặt sợi ở mức độ phân tử: do các lớp sợi chà xát với nhau và với dao nghiền tạo ra các bề mặt nhớt hơn

1.2 Ảnh hưởng của nghiền lên tính chất giấy

1.2.1 Đối với tính chất cơ học của giấy

Các tính chất cơ học của tờ giấy như độ kháng đứt, độ kháng gấp tăng lên khi tăng năng lượng nghiền Tuy nhiên sự tăng lên này chỉ diễn ra đến một mức nhất định nào đó, khi đó nếu tiếp tục tăng năng lượng nghiền thì các tính chất cơ lý sẽ giảm xuống đáng kể vì năng lượng nghiền tăng sẽ gây cắt ngắn sợi ở giai đoạn cuối của quá trình nghiền, làm cho các lực liên kết sợi trong tờ giấy cũng bị yếu đi, tính kháng đứt và kháng gấp chịu ảnh hưởng bởi chiều dài sợi nên từ đó cũng giảm theo

1.2.1.1 Tính kháng gấp (Finland, 1998)

Tính kháng gấp là khả năng chống lại việc gập đôi tờ giấy Tính kháng gấp được tính bằng số lần một mẫu giấy được cắt theo tiêu chuẩn và bị gấp liên tục với một tần số nhất định cho đến khi mẫu giấy bị đứt Tính chất này rất quan trọng đối với các loại giấy mà khi sử dụng chúng bị gấp đi gấp lại nhiều lần như giấy viết, giấy tiền, các giấy bao bì,…

Hình 1.2: Tính kháng gấp và năng lượng nghiền, (Finland, 1998)

1.2.1.2 Tính kháng xé

Tính kháng xé là khả năng chống lại lực xé tờ giấy tại nơi bị rách Mẫu giấy được cắt theo kích thước tiêu chuẩn và được cắt trước một vết, độ chịu xé của giấy được tính bằng lực kéo làm cho mẫu giấy bị xé ra hoàn toàn tại vị trí có vết cắt trước Tính kháng xé là chỉ tiêu đánh giá độ bền tờ giấy đối với các lực cơ học, thể hiện khả năng liên kết giữa các thành phần trong tờ giấy Tính chất này rất quan

trọng đối với các loại giấy chịu lực như túi xách, giấy gói hàng

Hình 1.3: Tính kháng xé và năng lượng nghiền hữu hiệu, (Finland, 1998)

Các tính chất khác như độ kháng bục, sức căng của tờ giấy, liên kết sợi bên trong giấy, khả năng chống thấm nước đều tăng lên theo quá trình nghiền bột Các tính chất này chịu ảnh hưởng bởi khả năng liên kết của sợi, khi được nghiền sợi sẽ phát triển khả năng đan kết với nhau, cải thiện các tính chất cơ lý của giấy thành phẩm

1.2.1.3 Tính kháng bục

Tính kháng bục là khả năng của tờ giấy chịu áp lực vuông góc với mặt phẳng

tờ giấy cho đến khi nó bị bục, rách Phần đáy của túi xách làm bằng giấy chịu lực lớn nhất, nếu độ chống bục thấp thì túi sẽ không bền Với các túi xách làm bằng giấy thì giấy đáy thường dày nhất

Hình 1.4: Độ kháng bục và năng lượng nghiền (Cao Thị Nhung, 2005) 1.2.1.4 Khả năng liên kết sợi

Xơ sợi nhận được càng nhiều năng lượng từ khâu nghiền thì chúng càng dễ dàng liên kết lại với nhau hơn do lớp tường thứ cấp đã bị tách ra, xơ sợi trở nên hút nước và tạo được nhiều liên kết hơn với các xơ sợi kế cận

Hình 1.5: Khả năng liên kết sợi và năng lượng nghiền (Gullichson, 1998)

1.2.1.5 Sức căng của tờ giấy

Khi tờ giấy chịu lực kéo song song với mặt phẳng tờ giấy sẽ làm tờ giấy bị căng giãn, sức căng của giấy càng lớn thì giấy càng ít bị co giãn và ít bị biến dạng

Hình 1.6: Sức căng và năng lượng nghiền (Gullichson, 1998)

1.2.2 Ảnh hưởng lên tính chất quang học của giấy

Các tính chất quang học của tờ giấy làm từ bột được nghiền như độ đục, độ trắng, khả năng phân tán ánh sáng đều giảm so với giấy làm từ bột không nghiền

1.2.2.1 Độ đục của tờ giấy

Là khả năng làm che các hình ảnh được in lên một mặt của tờ giấy khi nhìn

từ mặt bên kia Tính đục giảm do sợi bị cắt ngắn và nén ép khi nghiền, các lớp tường bên ngoài bị bóc ra Độ đục chịu ảnh hưởng bởi bề dày sợi nên cũng giảm

Hình 1.7: Năng lượng nghiền và độ đục (Gullichson, 1998)

Hình 1.9: Độ trắng ISO

1.3 Diễn tiến của quá trình nghiền

1.3.1 Bột trong các dao nghiền

Hình 1.10: Bột trong các dao nghiền (Cao Thị Nhung, 2005)

Ở nồng độ 2-6%, những sợi xơ không chuyển động độc lập với nhau mà theo từng đám Các đám sợi này liên tục bị phá vỡ trong suốt quá trình nghiền dưới tác dụng của lực cắt và lực ép trong khu vực nghiền và trong các rãnh Độ dày của đám

xơ sợi khoảng 1-5mm, khá dày so với kích cỡ của khe nghiền (ngang 1-5mm, sâu 2,5-5 mm) Do đó khả năng đám bột đi vào khe nghiền giữa hai dao khá thấp, thể tích dòng bột “chui qua” rãnh dao thì nhiều hơn là đi vào khe nghiền Điều này dẫn đến kết quả là: một số sợi hoàn toàn không chịu tác động nghiền trong khi một số sợi khác lại bị nghiền một cách mãnh liệt

Nghiền bột là một quá trình phức tạp, các xơ sợi trong quá trình nghiền được

mô phỏng thành hai giai đoạn chính là giai đoạn tập hợp các xơ sợi vào khe nghiền

và giai đoạn xơ sợi bị chà khi các cạnh dao nghiền trượt lên nhau Trong giai đoạn tập hợp sợi, các đám sợi tập trung ở vùng lân cận dao nghiền, nồng độ bột thấp, khoảng 3-5%, các đám sợi chứa chủ yếu là nước Trong giai đoạn các xơ sợi bị chà

giữa hai cạnh dao nghiền (giai đoạn cạnh giáp cạnh), dao bay tiếp xúc cạnh với dao đế: đám bột bị nén mạnh và bị cắt ngắn, nước bị vắt ra, nồng độ bột tăng lên 15-30% Ở giai đoạn này xơ sợi bị cắt ngắn một cách mạnh mẻ nhất

1.3.2 Các giai đoạn sợi bị nghiền

Hình 1.11: Các giai đoạn sợi bị nghiền (Cao Thị Nhung, 2005)

Giai đoạn cạnh-bề mặt và mặt-bề mặt: Sợi chịu lực ép khoảng 7-35 Mpa, nồng độ bột đã tăng lên 50-60%, các vi xơ bị nén ra khỏi sợi ban đầu, một số không tách hẳn mà còn dính lại một phần trên sợi chính Ngoài ra do bị nén, các sợi bị thu hẹp bề dày, trở nên mỏng hơn và thoát qua các rãnh nghiền Khi ra khỏi dao nghiền, sợi không bị nén, bắt đầu hút nước trở lại và bị trương nở, chúng theo dòng bột thoát ra bên trên máy nghiền theo phương tiếp tuyến với bán kính đĩa nghiền

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nghiền

Hình 1.12: Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả nghiền

Kết quả nghiền Thiết bị

Vật liệu xơ sợi

Các chế độ nghiền

1.4.1 Vật liệu xơ sợi ban đầu

Mỗi loại xơ sợi từ các loại gỗ khác nhau có cấu trúc, thành phần hoá học, đặc biệt là mức độ polyme hoá của xenlulo khác nhau, dẫn đến khả năng chịu tác động

từ máy nghiền cũng khác nhau, sợi có độ polyme hoá thấp thì có nhiều hemixenlulo, đây là thành phần hút nước và dễ bị chổi hoá trong khi nghiền sẽ xúc tiến quá trình nghiền bột, rút ngắn được thời gian nghiền từ đó giảm được giai đoạn cắt ngắn xơ sợi vì sự cắt ngắn xơ sợi xãy ra mạnh ở giai đoạn cuối của quá trình nghiền Khả năng nghiền và tính chất bột sau nghiền cũng phụ thuộc vào loại gỗ lá rộng hay gỗ lá kim, xơ sợi từ bột gỗ lá rộng thường dễ nghiền hơn xơ sợi gỗ lá kim

Bột đã tẩy trắng thì dễ nghiền hơn bột chưa qua tẩy trắng vì lignin trong bột không hút nước nên cản trở quá trình trương nở của sợi, hơn nữa lignin không tan trong nước nên khi bị giải phóng vào hỗn hợp bột-nước khi nghiền sẽ tăng trở lực cho dao nghiền, dẫn đến hiệu quả nghiền bột giảm Khi bột đã được tẩy trắng phần lớn lignin bị loại bớt sẽ tăng khả năng thấm hút nước của bột, tăng khả năng hydrat hóa của xơ sợi nên xúc tiến quá trình nghiền bột

1.4.2 Thiết bị

Một trong những yếu tố ảnh hưởng lớn đến chất lượng bột sau nghiền là thiết

bị nghiền, vật liệu dao nghiền thường làm bằng kim loại hay hợp kim có độ cứng cao Sự cắt ngắn xơ sợi phụ thuộc rất lớn vào độ sắc bén của lưỡi dao nghiền và độ dày lưỡi dao, sợi có yêu cầu độ dài trung bình cần dao có bề rộng 6-8mm, đối với sợi ngắn thì dùng dao có bề rộng 2-5mm Góc tiếp xúc khi dao bay tiến gần đến dao

đế cũng ảnh hưởng đến lực cắt bột khi nghiền

Đối với thiết bị nghiền, ngoài vật liệu làm dao nghiền thì chất lượng bột cũng được quyết địn bởi thể tích khoang nghiền, thể tích khoang nghiền không chỉ ảnh hưởng đến năng suất máy mà còn ảnh hưởng đến mức độ tương tác giữa cạnh dao nghiền với xơ sợi vì thể tích khoang nghiền cho phép lượng huyền phù bột đi qua

nó trong một đơn vị thời gian hay còn gọi là tải trọng cho phép, nếu thể tích khoang nghiền càng lớn thì mức độ chổi hóa xơ sợi càng được cải thiện

Bảng 1.1 Các thông số kỹ thuật với loại máy nghiền đĩa đôi Voith Sulzer

Bề rộng thanh trên xec-măng 3,5-4,8 mm 2,4-3,5 mm Lực cắt riêng SEL 1,7-4,5 J/m 0,5-1,5 J/m

Lực tải bề mặt riêng SSL 370-720 J/m2 180-360 J/m2 Nồng độ nghiền % 3,5-4,5 % 4,0-5,5 %

Tất cả các thông số kỹ thuật của máy nghiền đều ảnh hưởng đến chất lượng bốt sau nghiền như độ chổi hóa của xơ sợi, chiều dài xơ sợi, nhưng trong đó hai thông số SEL và SSL thể hiện trực tiếp tác dụng của năng lượng nghiền truyền cho

xơ sợi

1.4.3 Các chế độ nghiền

Chế độ nghiền là các thông số vận hành trong quá trình nghiền bột, các thông

số quan trọng và có ảnh hưởng lớn đến tính chất bột giấy sau nghiền là: nhiệt độ dòng bột, độ pH của dòng bột khi nghiền, thời gian nghiền, nồng độ dòng bột, áp lực nghiền, tần số hay tốc độ của dao bay

Nhiệt độ nghiền là yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến độ trắng của bột và khả năng vận hành của máy nghiền Đặc biệt đối với các máy nghiền liên tục tại các nhà máy, nhiệt độ của bột trong quá trình nghiền tăng lên rất cao Nhiệt độ của môi trường nghiền tăng là do sự ma sát giữa các xơ sợi với nhau, giữa xơ sợi và lòng ống dẫn và giữa xơ sợi và thiết bị nghiền Vì nghiền bột là quá trình toả nhiệt nên khi nhiệt độ môi trường tăng thì hiệu quả nghiền sẽ giảm dẫn đến thời gian nghiền tăng lên và năng lượng cần cung cấp cũng tăng lên

Độ pH thể hiện độ kiềm tính của môi trường nghiền bột, xenlulo hút nước mạnh và bị trương nở trong môi trường kiềm, xenlulo trương nở tốt nhất ở pH trong khoảng 10-11, sợi mềm dẻo thì trở lực nghiền giảm, rút ngắn thời gian nghiền và giảm năng lượng nghiền, tuy nhiên hemixenlulo lại rất dễ bị thủy hóa trong môi trường kiềm nên khi pH của bột quá cao xơ sợi hemixenlulo sẽ trở nên yếu và dễ bị cắt ngắn trong quá trình nghiền

Khi tăng nồng độ bột, mật độ xơ sợi giữa các dao nghiền tăng, lực cắt sẽ phân đều cho nhiều sợi nên giảm được sự cắt ngắn sợi, đồng thời tăng sự chổi hóa Nhưng do tăng tải trọng nghiền nên cũng hao tốn nhiều năng lượng hơn

Hình 1.13: Kết quả nghiền bột ở nồng độ cao và thấp (Findland, 1998)

Áp lực dao nghiền cũng là một trong những thông số kỹ thuất quan trong trong quá trình nghiền bột, áp lực nghiền phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách giữa hai dao nghiền Khoảng cách là 0-1 mm, áp lực cao thì dễ cắt ngắn sợi Khoảng cách 0,5 - 0,8 (mm): vùng chổi hóa sợi Khoảng cách 0,2 - 0,4 (mm): vùng nghiền nhẹ và khoảng cách 0,1 - 0,2 (mm): vùng nghiền nhanh Áp dụng các giá trị này vào nghiền bột sẽ giúp tăng hiệu quả quá trình nghiền, đồng thời đạt được các yêu cầu cần thiết đối với bột sau nghiền

Đối với các loại bột giấy khác nhau thì đặc tính nghiền cũng khác nhau, ví dụ bột chưa tẩy khó nghiền hơn bột đã tẩy, bột cơ học khó nghiền hơn bột hóa học, vì vậy trong quá trình nghiền các loại bột khác nhau thì thời gian nghiền cũng khác nhau Thời gian nghiền tăng thì độ nghiền tăng do sợi bị mỏi khi chịu lực trong thời gian dài, chúng bị cắt ngắn và chổi hoá nhiều hơn Năng lượng nghiền tiêu hao cũng tăng lên Trong quá trình nghiền, xơ sợi chịu tác dụng bởi một lực tuần hoàn nên ở giai đoạn cuối của quá trình nghiền xơ sợi có hiện tượng mỏi và rất dễ bị cắt ngắn khi tiếp tục kéo dài thời gian nghiền bột

Đối với tất cả các loại vật liệu trong đó có vật liệu xenlulo, tính mỏi là một thuộc tính rất đặt trưng, khi vật liệu chịu lực tác dụng tuần hoàn với tần số khác nhau thì thời gian vật liệu bị phá hủy cũng khác nhau, vì vậy tần số nghiền của dao bay có ảnh hưởng trực tiếp đến độ chổi hóa hay cắt ngắn của xơ sợi, khi tần số dao thấp xơ sợi được chổi hóa tốt, khi tăng tần số dao bay thì sự cắt ngắn sợi diễn ra mạnh đó là do số lần tác động lên sợi trong một đơn vị thời gian Đó chính là tốc độ của rotor trong quá trình nghiền Khi nghiền ở tần số cao bột dễ bị cắt ngắn vì dao nghiền sẽ tiếp xúc được với ít xơ sợi hơn

Hình 1.14: Liên hệ giữa tốc độ quay rotor và năng lượng nghiền (Findland, 1998)

Năng lượng nghiền: Năng lượng nghiền tiêu hao là nhân tố kinh tế cần phải được tính toán kỹ lưỡng để tránh hao phí và đem lại hiệu quả nghiền cao nhất Việc phối hợp các đặc tính cơ bản của máy nghiền cùng với điều kiện vận hành khi tiến hành nghiền bột sao cho hợp lý là nhiệm vụ hàng đầu trong quá trình chuẩn bị bột

Nhiều lý thuyết được đưa ra để tính toán năng lượng nghiền cần thiết như lực cắt riêng SEL và tải lực bề mặt riêng Những lý thuyết này chứng tỏ khả năng cắt ngắn sợi của máy nghiền khi tăng năng lượng nghiền (SEL) Do đó, nếu cần truyền nhiều năng lượng cho sợi mà không gây ra tác dụng cắt ngắn sợi thì phải chia năng lượng đó cho nhiều máy nghiền, thay vì chỉ nghiền qua một lần

Một lý thuyết được biết đến và được sử dụng nhiều nhất trong các lý thuyết

nghiền là lý thuyết về lực cắt riêng (SEL: specific edge load) 1958, Wultsch và

Fluchle đưa ra khái niệm về “cường lực nghiền”, một đại lượng thu được khi lấy tải

lực nghiền chia cho chiều dài tác động của dao nghiền Sau đó vào năm 1966,

Brecht và Siewert đổi “cường lực nghiền” thành “lực cắt riêng” nghiên cứu sợi bị

tác động ở mức độ nào và bị đánh tơi, chổi hóa ra sao Đặc trưng của lý thuyết này

là đưa ra năng lượng nghiền SRE và lực cắt riêng SEL

Hình 1.15: Cấu tạo một xec-măng, gồm có:

Bảng 1.2: Chiều dài và số lượng các xec-măng trong máy nghiền

315 4

210 2

105 2 Đĩa nghiền cố định và di động đều có 12 xec-măng

Mỗi xec-măng có 4 thanh dài 315 mm, hai thanh dài 210 mm và hai thanh

dài 105 mm

Phân bố chiều dài dao trên các phần của xec-măng (r:roto, st: stato)

Z1(thanh) Z2(thanh) Z3(thanh)

8*12r + 8*12st 6*12r + 6*12st 4*12r + 4*12st

Chiều dài cắt trong mỗi vòng quay của dao nghiền:

Z1(m) Z2(m) Z3(m) 96*96*0,105=967,7 72*72*0,105=544,3 48*48*0,105=241,9

Tổng cộng chiều dài cắt là 967,7+544,3+241,9=1753,9 (m)

Đây chính là chiều dài cắt CEL=1,754 (km/vòng quay) đối với máy nghiền đĩa đơn.Với máy nghiền đĩa đôi CEL=1,754*2=3,508 (km/vòng quay)

SEL=(Pt-Pn)/CEL*n

Với n: tốc độ dao bay (vòng/giây)

Hình 1.16: Mối liên hệ giữa lực cắt riêng SEL và năng lượng nghiền tiêu thụ

Lực cắt riêng tăng tuyến tính với năng lượng nghiền, điều này chứng tỏ rằng càng sử dụng nhiều năng lượng nghiền thì quá trình cắt sợi càng tăng

Xét năng lượng nghiền riêng SRE:

SRE=(Pt-Pn)/F*C, với :

Pt: tổng năng lượng nghiền tiêu tốn (KWh)

Pn: năng lượng nghiền khi máy chạy không tải (kWh)

F: dòng bột (lít/phút)

C: nồng độ bột (%)

Hình 1.17: Độ nghiền và năng lượng nghiền riêng (Gullichson, 1998)

Đường gấp khúc phía trên thể là kết quả nghiền khi sử dụng dây chuyền gồm hai máy nghiền Năng lượng sử dụng trong mỗi máy là 150 (kWh/thể tích bột KTĐ) Độ nghiền khi sử dụng hai máy tăng nhanh hơn và kết quả nghiền cũng hơn

so với nghiền bằng bốn máy nghiền (mỗi máy dùng 75 kWh/ thể tích bột KTĐ) Một chỉ số khác thể hiện rõ tác động của năng lượng nghiền lên bột là tải lực riêng

bề mặt dao nghiền (SSL) tạo ra khi dao bay tiếp xúc với dao đế ở khoảng nghiền

Lý thuyết này do Lumiainen đề xướng năm 1990, ông đã phát triển xa hơn lý thuyết SEL (lý thuyết SEL cho rằng năng lượng từ máy nghiền truyền cho các bó sợi chỉ trong giai đoạn cạnh giáp cạnh hay cạnh-bề mặt); Lumiainen cho rằng bột còn chịu thêm tải lực ép của bề mặt dao nghiền, ông đưa ra thêm một khái niệm về cường lực nghiền là tải lực bề mặt riêng SSL

Công thức tính tải lực bề mặt riêng :

SSL: áp lực nghiền tác động trên một đơn vị diện tích dao (J/m2)

SEL: lực cắt trên 1 đơn vị chiều dài cạnh dao (J/m)

IL: chiều dài tác động, được tính theo góc α

Lumiainen đưa ra cách xác định IL một cách đơn giản như sau:

Hình 1.18: Góc tiếp xúc giữa hai dao

Những năm sau đó, lý thuyết của Lumiainen đã được hoàn thiện hơn Lượng nghiền (hay năng lượng nghiền) là kết quả của số công đoạn nghiền và năng lượng tiêu tốn mỗi công đoạn Mức tập trung áp lực bề mặt riêng và thời gian tác động nghiền là hai yếu tố cơ bản đánh giá tác động của máy nghiền lên xơ sợi

Hình 1.19: Đồ thị thể hiện tác động của năng lượng nghiền lên lực kéo sợi

Lực căng sợi tăng dần theo năng lượng nghiền Khi nghiền với cường lực thấp 2,0 (J/m), 423 (J/m2) bột sẽ chịu lực kéo căng thấp hơn khi nghiền với cường lực cao 4,0 (J/m), 845 (J/m2) Hơn nữa, với nồng độ thấp 3,9% bột bị cắt nhiều hơn

là ở nồng độ cao hơn 4,1% nên kích thước sợi đồng nhất hơn và liên kết với nhau chặt chẽ, khả năng chịu kéo tăng, độ bền của giấy cũng tăng

1.5 Sự bảo lưu chất độn

1.5.1 Khái niệm về sự bảo lưu

Sự bảo lưu là sự giữ lại các hạt mịn như các xơ sợi mịn, các hạt chất độn và các hạt keo trên tấm giấy trong quá trình thoát nước của huyền phù bột khi đi qua lưới xeo Đối với một quá trình xeo giấy sự bảo lưu tốt hay xấu được biểu thị bằng

độ bảo lưu các thành phần mịn trong quá trình xeo Độ bảo lưu được biểu thị bằng tỉ

lệ % về khối lượng của những hạt mịn còn lại trên tờ giấy với tổng số lượng hạt mịn này trong huyền phù bột trước khi lên máy xeo

Độ bảo lưu chất độn là tỉ lệ % lượng chất độn còn lại trên tờ giấy so với lượng chất độn đã cho vào huyền phù bột Đối với chất độn sử dụng là CaCO3 thì hàm lượng của nó trong tờ giấy có thể được xác định thông qua khối lượng tro của giấy khi nung ở 9000C

Độ bảo lưu càng cao thì quá trình xeo càng hoàn thiện vì giữ lại được các thành phần mịn cần dùng trong quá trình xeo, nước thoát ra càng trong, thuận lợi cho việc tuần hoàn trở lại, như vậy vừa nâng cao chất lượng giấy vừa tiết kiệm hóa chất, ít gây ô nhiễm môi trường Sự bảo lưu thường được tính riêng cho từng thành phần hạt mịn trong dòng bột như độ bảo lưu chất độn, độ bảo lưu xơ sợi, độ bảo lưu

keo,…( Findland, 1998)

1.5.2 Các cơ chế bảo lưu của chất độn

Các chất độn có mặt trong huyền phù bột, khi xeo giấy việc giữ chúng lại trong lớp đệm xơ sợi trên lưới xeo là bước quan trọng nhất trong sản xuất giấy Các chất độn có thể được bẩy vào băng giấy theo hai tác động chính là “tác động cơ học” và “tác động hóa học”, hai cơ chế này xảy ra đồng thời trong quá trình thoát nước của huyền phù bột trên lưới xeo (Cao Thị Nhung, 2005)

Khi xeo giấy với định lượng cao thì lớp xơ sợi hình thành trên lưới xeo dày nên việc giữ các hạt chất độn bằng tác động cơ học có hiệu quả lớn, chất độn được giữ lại trong tờ giấy chủ yếu nhờ lực cản theo cơ chế lọc và một phần nhỏ do lực

hấp dẫn Theo cơ chế lọc, các xơ sợi đan kết với nhau tạo nên lớp đệm lọc, khi nước thoát ra chất độn được các xơ sợi giữ lại trong cấu trúc của tờ giấy còn gọi là sự bẩy

cơ học Hiện tượng bẩy cơ học xảy ra khi lớp đệm sợi trên lưới xeo đã đạt được một

độ dày nhất định khi đó phần tử mịn sẽ được giữ lại ở những khoảng trống trong cấu trúc của lớp đệm sợi Trong quá trình thoát nước trên lưới xeo, các thành phần mịn thường khó được giữ lại vì chúng có kích thước nhỏ hơn nhiều so với kích thước các lỗ trống giữa các xơ sợi, chính vì vậy kích thước và hình dạng của hạt chất độn ảnh hưởng rất lớn trong sự bảo lưu theo cơ chế bẩy cơ học

Hình 1.20: Sự thoát nước và bảo lưu theo cơ chế bẩy cơ học (Parker, 1972)

Xơ sợi có độ bảo lưu theo cơ chế lọc cao do có kích thước lớn còn sợi mịn và các phụ gia khác có kích thước quá nhỏ khó có thể giữ lại bằng cơ chế lọc, nó chỉ được giữ lại trên lưới xeo khi lớp đệm sợi đã đạt được một độ dày nào đó Do vậy phần huyền phù giữ lại trên lưới xeo ở giai đoạn đầu sẽ chứa ít phần mịn hơn Điều này gây ra sự khác biệt về thành phần giữa hai mặt tờ giấy, lớp dưới chứa nhiều thành phần sợi hơn so với lớp trên (tính hai mặt của tờ giấy) (Gallage G, 2000)

Bảng 1.3 : Kích thước của các thành phần trong huyền phù bột

STT Thành phần trong bột Kích thước (mm) Diện tích bề mặt riêng

Tuy nhiên trong sản xuất giấy, người ta sử dụng lượng chất độn khá lớn, kích thước các hạt chất độn nhỏ nên chơ chế lọc cơ học không đảm bảo được mức độ bảo lưu như mong muốn, vì vậy người ta thường gia vào huyền phù bột giấy các chất trợ bảo lưu để tăng cường sự bảo lưu chất độn theo cơ chế hóa học Trong cơ chế bảo lưu hóa học, các hạt chất độn và các thành phần mịn khác chủ yếu được giữ lại trong tờ giấy nhờ các chất trợ bảo lưu xơ sợi và chất độn trong quá trình phân tán trong huyền phù bột đều mang điện tích âm, các chất trợ bảo lưu trong môi trường nước phân ly thành các ion dương làm cầu nối giữa xơ sợi, chất độn và các thành phần mịn Các chất trợ bảo lưu thường được sử dụng là các chất vô cơ như phèn nhôm (Al2(SO4)3) hoặc các chất hữu cơ thiên nhiên như các polyme polyacryamid

(PAM), polyetylenimin (PEI), polyamin, polyamidoamin…hay tinh bột biến tính Chất độn và xơ sợi đều mang điện tích âm, các polyme được gia vào giữ vai trò là cầu nối giữa chất độn và xơ sợi, vì thế chất độn được giữ lại trong tờ giấy

Hình 1.21: Bảo lưu chất độn theo cơ chế hóa học

Các polyme hoạt động theo nhiều cơ chế khác nhau như: cơ chế mảng, cơ chế cầu nối, cơ chế kết tụ đôi, cơ chế mạng lưới,…Khi sử dụng các chất trợ bảo lưu thì khả năng bảo lưu của chất độn và xơ sợi sẽ được cải thiện đáng kể, ngoài ra còn mang lại một số hiệu quả khác như: Tăng tốc độ máy xeo, cải thiện sự tạo hình, tăng tính đồng đều của tờ giấy, giảm chi phí sản xuất

1.5.3 Các thông số bảo lưu phổ biến (Karnchanapoo, 1999)

Trong sản xuất giấy sự bảo lưu các thành phần mịn là yếu tố rất quan trọng, đặt biệt là đối với các loại giấy có sử dụng chất độn Trên dây chuyền sản xuất, quá trình bảo lưu chất độn cần được kiểm soát chặt chẽ trên từng thời điểm và vị trí trên máy xeo để có thể điều chỉnh kịp thời, vì vậy ngoài việc tính toán sự bảo lưu trên

toàn hệ thống cần phải xét riêng sự bảo lưu ở các vị trí vị trí công tác của máy gồm: bảo lưu đầu máy (FPR), bảo lưu máy (MR), bảo lưu hệ thống (SR)

Bảo lưu đầu máy (FPR) là thông số bảo lưu được sử dụng rộng rãi nhất FPR cao để đạt được mức hiệu quả sử dụng cao của các tác chất hóa học trong phần ướt

vì phần lớn các chất phu gia sẽ kém hiệu quả hơn khi cho tuần hoàn trong phần ướt Quá trình thoát nước trên lưới xeo làm các xơ sợi mịn và chất độn tập trung về phía mặt lưới gây ra tính hai của tờ giấy FPR cao đảm bảo có nhiều sợi mịn và chất độn liên kết với sợi dài, vì vậy giảm được tính hai mặt cho tờ giấy Độ bảo lưu đầu máy được tính theo công thức:

FPR = ms /mo (1.1)

ms là khối lượng (hay nồng độ) chất độn khi bắt đầu đi vào hút chân không

mo là khối lượng (hay nồng độ) chất độn nạp từ thùng đầu vào lưới xeo Bảo lưu máy (MR) là yếu tố quan trọng để duy trì chất lượng nước tốt và có

thể tái sử dụng để pha loãng bột mới Độ bảo lưu đầu máy được tính theo công thức:

MR = mm /(mo- m1) (1.2)

Trong đó

mm là khối lượng (hay nồng độ) chất độn cuối lưới xeo

mo là khối lượng (hay nồng độ) chất độn nạp từ thùng đầu vào lưới xeo

m1 là khối lượng (hay nộng độ) chất độn của dòng tuần hoàn

Bảo lưu hệ thống (SR) là yếu tố quan trọng trong việc sử dụng hiệu quả nguyên vật liệu và giảm chi phí xử lý nước và chất thải Bảo lưu hệ thống chịu ảnh hưởng của hiệu quả bảo lưu đầu và bảo lưu máy Bảo lưu hệ thống giảm chủ yếu là

do tổn thất chất rắn từ các quá trình lọc, tách bằng cyclon và sự hòa tan của các chất

rắn Độ bảo lưu hệ thống được tính theo công thức:

SR = mp /mf (1.3)Trong đó

mp là khối lượng chất độn sau trục ép (chuẩn bị vào buông sấy)

mf là khối lượng (hay nồng độ) chất độn nạp vào hệ

1.6 Các nghiên cứu trên thế giới

Wultsch và Fluchle (1958) đưa ra khái niệm về “cường lực nghiền”, một đại lượng thu được khi lấy tải lực nghiền chia cho chiều dài tác động của dao nghiền Sau đó vào năm 1966, Brecht và Siewert đổi “cường lực nghiền” thành “lực cắt riêng” nghiên cứu sợi bị tác động ở giữa hai dao nghiền Đây là lý thuyết quan trọng được sử dụng rộng rãi trong quá trình tính toán quá trình nghiền và thiết kế máy nghiền

Lumiainen (1990) nghiên cứu về mối quan hệ giữa lực cắt xơ sợi và năng lượng nghiền, ông kết luận rằng năng lượng từ máy nghiền truyền cho các bó sợi không chỉ trong giai đoạn cạnh giáp cạnh (hay cạnh-bề mặt); mà xơ sợi còn chịu thêm tải lực ép của bề mặt dao nghiền, ông đưa ra thêm một khái niệm về cường lực nghiền là Tải lực bề măt riêng SSL

Kerekes và Schell (1995) nghiên cứu về sự ảnh hưởng của chiều dài xơ sợi đến độ hình thành và độ chịu kéo của giấy Nghiên cứu cho thấy rằng: xơ sợi càng

bị cắt ngắn nhiều thì tờ giấy hình thành sẽ càng đồng đều hơn vì các xơ sợi có kích thước ngắn sẽ có độ tự do trong huyền phù bột cao hơn các xơ sợi dài vì vậy bề mặt

tờ giấy sẽ ít khuyết tật và định lượng của tờ giấy sẽ đồng đều hơn Tuy nhiên, xơ sợi càng bị cắt ngắn thì độ chịu kéo của giấy giảm rất nhanh

Beghello và Eklund (1997) nghiên cứu về sự ảnh hưởng của độ dài xơ sợi và nồng độ sợi trong quá trình nghiền đến mức độ tạo bông, chổi hóa của xơ sợi Nghiên cứu cho thấy rằng nồng độ xơ sợi càng cao thì mức độ phân tơ chổi hóa càng cao, xơ sợi ít bị cắt ngắn vì lực cắt tác dụng lên mỗi xơ sợi giảm

Swe (1999) nghiên cứu về tính chất quang học và tính chịu kéo của giấy sản xuất từ giấy báo thu hồi Nghiên cứu cho thấy rằng: giấy được sản xuất từ bột giấy báo thu hồi có độ chịu kéo rất thấp vì bột giấy thu hồi đã qua nghiền rất nhiều lần,

xơ sợi đã bị lão hóa và bị cắt ngắn nhiều

Sangbumrung (1999) nghiên cứu về sự bảo lưu của chất độn khi sử dụng các

hệ bảo lưu vi hạt Nghiên cứu cho thấy rằng: khi sử dụng hệ bảo lưu vi hạt thì chất độn được giữ lại trong cấu trúc của tờ giấy rất cao lên đến 90%, mặt khác các thành