Макулатура является ценным сырьем для бумажно-картонной промышленности. Производство бумаги и картона из вторичных волокон растет быстрыми темпами, примерно в два раза быстрее, чем производство бумаги из свежих полуфабрикатов. Этому способствует как экономические, так и экологические факторы.
По данным ФАО в 2010 году доля использования макулатурной массы в композиции бумаги и картона составила свыше 50 % независимо от вида вырабатываемой продукции. Во всем мире макулатурная масса используется в производстве: газетной бумаги – 12 %; контейнерного картона «тест-лайнер» и бумаги-основы для гофрирования – 29 %; коробочного картона – 19 % [1].
Основным фактором, способствующим росту использования вторичного волокна, является необходимость выпуска дополнительного объёма бумажно-картонной продукции. Однако расширение использования макулатуры сдерживается, с одной стороны, постепенным ухудшением качественных характеристик вторичного волокна, а с другой – повышением требований к качеству готовой продукции.
Практика работы предприятий, работающих с макулатурным сырьём, показывает, что процесс подготовки макулатурной массы для производства различных видов продукции может включать в себя следующие технологические операции:
1) разволокнение макулатуры на отдельные фрагменты и пучки волокон с удалением из массы крупных посторонних включений;
2) дополнительный роспуск фрагментов макулатуры и пучков волокон в массе на отдельные волокна, совмещенный с грубым сортированием целлюлозной суспензии от легких и тяжелых посторонних включений;
3) очистка макулатурной массы в циклонных очистителях от мелких тяжелых включений; 4) грубое, тонкое сортирование и очистка для удаления клейких включений, песчинок, частиц краски и так далее;
5) фракционирование суспензии вторичных волокон по их размеру в целях отделения коротковолокнистой фракции, состоящей из коротких целлюлозных волокон и волокон древесной массы от длинноволокнистой фракции;
6) сгущение массы (до концентрации 10, 15 %) для разделения водных систем подготовки массы и бумагоделательной машины в целях уменьшения переноса химических реагентов и загрязнений в растворенной и коллоидной форме;
7) размол макулатурной массы для обеспечения пластификации, фибриллирования и набухания вторичных волокон, что обеспечивает частичное восстановление бумагообразующих свойств.
Перечисленные технологические операции позволяют проводить подготовку макулатурной массы для получения бумажно-картонной продукции различного назначения. Однако в процессе переработки макулатуры происходит существенное ухудшение ее бумагообразующих свойств [10].
Главное отличие вторичных полуфабрикатов заключается в изначально пониженных бумагообразующих свойствах по сравнению с первичными волокнами. Волокна в результате влияния технологических стадий изготовления бумаги и картона (роспуск, размол, сушка, отделка и т.д.), а также процессов переработки бумаги и картона (например, процессы гофрообразования) приобретают новые физические свойства, которые являются причиной ухудшения бумагообразующих свойств вторичного волокна. Вторичные волокна характеризуются значительным изменением физических и химических свойств по сравнению с первичными волокнами; пониженной прочностью индивидуальных волокон; ухудшением способности волокон к набуханию, гидратации и внутреннему фибриллированию; повышенной восприимчивостью к измельчению; значительной потерей способности к образованию межволоконных химических водородных связей [3].
Макулатурные волокна по своим физико-химическим и морфологическим свойствам значительно отличаются от первичных целлюлозных волокон. Наряду с целыми волокнами имеются разорванные, раздавленные с поперечными трещинами, присутствует волокнистая мелочь. В ряде случаев происходит расщепление волокон вдоль оси волокна. Вторичные волокна проходят как минимум один цикл переработки, включающий процессы измельчения и сушки. Химическая и физическая структура волокон претерпевает необратимые изменения: большая часть пор и капилляров разрушается, поверхность волокна сжимается и ороговевает, это препятствует прониканию воды внутрь волокна, а значит его набуханию [4]. Процессы ороговения приводят к уменьшению удельной поверхности волокна, сопровождающейся частичной потерей способности к образованию химических связей, что является основной причиной ухудшения способности к набуханию волокон из макулатуры [5, 7].
Проведение роспуска и размола сопровождается разрушением волокнистой структуры. Подвергшиеся сушке волокна макулатурной массы из–за ороговения во время этих процессов оказываются по сравнению с первичными полуфабрикатами значительно измельченными и слабо фибриллированными, а получаемая бумага – менее прочной, более рыхлой, мягкой и непрозрачной.
Наличие мелких волокон и их обрывков, так называемого мельштофа, – одна из основных отрицательных характеристик макулатурной массы. Присутствие мелкой фракции обуславливает не только увеличение степени помола и ухудшение обезвоживания бумажной массы на сетке бумагоделательной машины, но и не позволяет стабилизировать процесс размола для максимального восстановления бумагообразующих свойств вторичных волокон. Кроме того, мелкие обрывки имеют слабую способность к образованию межмолекулярных связей, при формировании листа бумаги уменьшают механическое сцепление волокон, что в целом приводит к снижению прочностных характеристик готовой продукции. По своему составу макулатурная масса представляет собой полидисперсную систему с повышенным содержанием мелких волокон. Поэтому роспуск волокон должен осуществляться бережно с сохранением целостности волокон при минимальном размельчении загрязнений [10].
Наибольшее влияние на волокна оказывают размол и сушка, которые приводят к необратимым изменениям свойств волокон: потере гибкости, снижению способности к набуханию, ороговению поверхности и увеличению вследствие этого их хрупкости [2].
Отдельно необходимо выделить проблему цикличности использования макулатуры (многократное использование макулатуры в процессе производства бумажно-картонной продукции). Эта проблема является скрытой, так как на сегодняшний день невозможно определить количество производственных циклов с участием вторичного волокна, т.е. сколько раз макулатурные волокна подвергались роспуску, размолу, сушке и т.д. [3].
Согласно данным [9] разные виды целлюлозы обладают разной способностью к восстановлению бумагообразующих свойств. Установлено, что лучшей способностью к повторной переработке обладает сульфатная небеленая целлюлоза и белая древесная масса, структурные показатели, которых наиболее стабильны.
Одним из решающих условий улучшения качества готовой продукции, в том числе прочностных показателей, является улучшение качества сырья: сортирование макулатуры по маркам и улучшение ее очистки от различных загрязнений. Возрастающая степень загрязненности вторичного сырья отрицательно влияет на качество продукции. Для повышения эффективности использования макулатуры необходимо соответствие ее качества виду выпускаемой продукции [6, 10].
Макулатура является весьма перспективным волокнистым сырьем для бумажно-картонного производства. Однако, ее вторичное использование ведет к постепенному снижению бумагообразующих свойств. Следовательно, разработки в области изучения и внедрения новых технологий переработки макулатуры, которая максимально сохраняет бумагообразующие свойства макулатуры, являются перспективным направлением в области ресурсосбережения.