CC BY
25
УДК 676.273
Е. В. Дубовой, И. Н. Ковернинский, А. С. Смолин, А. В. Канарский
АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА СТЕКЛЯННОГО ВОЛОКНА
И ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ БУМАГИ ДОБАВКОЙ МЕРСЕРИЗОВАННОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Ключевые слова: Стеклянное волокно, стекловолокнистая бумага, межповерхностная когезия, адгезия, связеобразование, полигидроксоаквокомплексы алюминия, связующее, мерсеризованная целлюлоза.
Проведены исследования влияния мерсеризованной целлюлозы на свойства стекловолокнистой бумаги. Результаты показывают рост разрывной прочности бумаги с увеличением в композиции содержания мерсеризованной целлюлозы. Добавка 20% целлюлозы дает большой прирост прочности на разрыв - на 0,61 МПа (практически в два раза), в сравнении с читсым стекловолокном (0,71 МПа). Отрицательным воздействием целлюлозы на бумагу является снижение впитываемости капиллярной до 115 мм, против 145 мм для интдивидуального стекловолокна.
Key words: Glass fiber, glass fiber paper, mirovarennaya cohesion, adhesion, stateorprovince, polyhydroxocomplexes of aluminium, a
binder, mercerized cellulose.
The effect of mercerized cellulose on the properties of glass-fiber paper. The results show an increase in tensile strength ofpaper increase in the composition of the content of mercerized cellulose. Supplement 20% cellulose gives a large increase in tensile strength is 0.61 MPa (almost twice) in comparison with casym fiberglass (0,71 MPa). Negative effects of cellulose on the paper is the reduction of capillary absorption up to 115 mm versus 145 mm for individualnogo fiberglass.
Актуальность
Стеклянное волокно используется для получения многих материалов, к которым предъявляются разные требования по механической прочности. Учитывая низкую межповерхностную когезию стеклянного волокна между собой, получение пригодных к использованию листовых стекловолокнистых материалов без применения адгезивов проблематично [12]. Для использования стекловолокнистой бумаги в качестве элементов испарения в аппаратах охлаждения воздуха, ее механическая прочность может быть умеренной, но применение адгезивов необходимо.
Когезионные и адгезионные свойства стеклянного волокна определяются химическим составом стекла, строением и состоянием поверхности и поверхностных функциональных групп. Они известны - это силоксановые группы, под действием воды способные превращаться в силаноловые группы по схеме [2-3]:
В суспензии волокна в воде, поверхностные гидроксилы силаноловых групп участвуют в образовании водородной межволоконной связи (Н-связь). Гидроксильные группы повышает реакционную активность поверхности волокна с определенными органическими и неорганическими соединениями, усиливая межволоконное сцепление в стек-ловолокнистой бумаге. Эффективным адгезивом является соединения алюминия, в частности алюминат и сульфат алюминия. Гидролиз данных соединений приводит к образованию полигидроксоакво-комплексов алюминия, различных по строению в зависимости от рН среды [4]. Согласно многочисленным данным, продукты гидролиза, соединений алюминия могут образовывать мостики между со-
седними волокнами, существенно повышая прочность бумаги [5-6]. Механизм связеобразования для стеклянного волокна и связующих на основе соединений алюминия отличается от такового для целлюлозных материалов [7]. Главным признается включение в координационную сферу гидроксокомплек-сов алюминия лигандов, присутствующих на поверхности минеральных волокон гидроксильных групп или ионов SiOз-2. Существуют и иные механизмы связеобразования [8]. Например, этерифика-ция гидроксильных групп по схеме, приводящая к образованию прочных не гидролизуемых межповерхностных связей
В исследованиях [9], посвященных изучению механизма упрочнения бумаги из растительных волокон под действием соединений алюминия, отмечается, что при повышении температуры в результате дегидратации полиядерных комплексов алюминия часть гидроксидных связей превращается в более прочные и не разрушаемые водой связи, при этом бумага приобретает повышенную прочность и влагопрочность. Не исключается возможность связи поверхностей стекловолокна гидроксокомплексами алюминия в сетчатую структуру, рисунок 1.
Кроме соединений алюминия, повышение прочности стекловолокнистой бумаги можно осуществлять добавками целлюлозного волокна, содержащего большое число поверхностных гидроксильных групп. В этом плане представлялось целесообразным испытать целлюлозу мерсеризованную.
Цель исследования: установление влияния мерсеризованной целлюлозы, примененной в качестве связующего, на прочность и впитываемость стекло-волокнистой бумаги. Мерсеризованная целлюлоза является традиционным растительным волокном
для получения высокопористых видов бумаги, включая фильтровальные. Положительный эффект щелочного воздействия на целлюлозу, предназначенную для производства фильтровальных материалов, сравнительно давно приобрел известность и нашел применение в традиционной технологии фильтровальных видов бумаги и картона для машиностроения.
0
1
■о-Э л.-0
О
Рис. 1 - Схема сетчатой структуры межволоконной связи стеклянного волокна соединения ми гидроксоалюминия
Мерсеризация - обработка целлюлозы концентрированными растворами щелочей (12...18 % №ОН) - является одним из распространенных способов модификации целлюлозы. Основное промышленное приложение процесса мерсеризации целлюлозы - производство вискозы. Установлено, что в процессе мерсеризации целлюлоза претерпевает физико-химические, химические и структурные превращения, обусловленные интенсивным набуханием волокон, частичным разрушением межволоконных водородных связей и растворением низкомолекулярных фракций и гемицеллюлозы, а также химическими процессами, в результате которых образуется новое соединение - щелочная целлюлоза (ЯСеП-ОН^аОН).
Мерсеризация затрагивает надмолекулярную структуру целлюлозы и приводит к изменению кристаллической решетки и образованию новой структурной модификации - целлюлозы II (в отличие от исходной природной модификации - целлюлозы I). Следствием физико-химических, химических и структурных превращений целлюлозы в процессе мерсеризации являются морфологические изменения целлюлозных волокон - плоские целлюлозные волокна приобретают округлую форму, что снижает сопротивлению потоку воздуха, сохраняя при этом свою целостность. [9]. Кроме того, волокна становятся значительно тоньше, особенно у целлюлозы из лиственных пород древесины, что повышает эффективность улавливания загрязнения. Максимальное уменьшение диаметра (поперечная усадка) волокна зависит от вида целлюлозы и составляет 12 % для хлопковой целлюлозы, 35 % - для хвойной и 44 % -для лиственной. Эти значения поперечной усадки волокна достигаются соответственно при 18-, 17- и 15%-ной концентрации раствора щелочи. Наиболее эффективно происходит растворения низкомолеку-
лярных фракций и набуханию волокон концентрации щелочи 10-12%.
Методическая часть
В качестве основы бумаги использовалось стеклянное волокно МТВ-0,25 (микротонкое волокно) со средним диаметром 0,25 мкм (250 нм); связующим была выбрана мерсеризованная целлюлоза, которую добавляли в водную суспензию волокна в количестве 10, 20 и 30% от массы волокна. Образцы стекловолокнистой бумаги получали на лабораторном листоотливном аппарате ЛОА-2.
Результаты и обсуждения
Данные эксперимента приведены в таблице 1. Как видно из нее, добавка мересеризованной целлюлозы в композицию стеклянного волокна положительно влияет на прочность бумаги на разрыв и отрицательно сказывается на капиллярной впитываемости.
Таблица 1 - Влияние содержания мерсеризованной целлюлозы в композиции на свойства минеральноволокнистой бумаги
№ Стеклово Целлюлоза Прочн Впитывае
ком локно, мересеризо ость мость
по- МТВ- ванная, % на капилляр
зиц 0,25, % разры ная, мм
ии в, МПа
1 100 - 0,21 120
2 90 10 0,53 102
3 80 20 0,82 91
4 70 30 1,16 78
Полученные результаты свидетельствуют о увеличении разрывной прочности бумаги с ростом в композиции содержания мерсеризованной целлюлозы. Добавка 20% целлюлозы дает большой прирост прочности на разрыв - на 0,61 МПа (практически в два раза), в сравнении с читсым стекловолокном (0,21 МПа). Отрицательным воздействием целлюлозы на бумагу является снижение впитываемости капиллярной до 115 мм, против 145 мм для индивидуального стекловолокна.
Выводы
1. Связи между стеклянными волокнами в бумаге отличаются низкой прочностью и не обеспечивают требуемых ей механических свойств.
2. Управление механической прочностью стек-ловолокнистой бумаги целесообразно осуществлять адгезивами минерального и органического происхождения.
3. Добавка в композицию стекловолокна мерсеризованной целлюлозы позволяет сильно повысить прочность бумаги на разрыв, для волокна МТВ-0,25,
практически на 100%, но ухудшить впитываемость по воде на 30 мм.
Литература
1. Асламова М.С. Стеклянные волокна.-М.: Химия, 1979. -256 с.
2. А.с. 870557. СССР, МКИ D 21 H 5/18. Фильтровальный материал / В.М. Шевченко, Н.Н. Иванова, А.Т. Безнис, А.И. Коншин. Укр. НПО ЦБП. -№ 2889018/29-12; Заявл. 04.03.80; Опубл. 07.10.81; Бюл. № 37.
3. Вороновская, Г.А. Исследование теплофизических свойств бумаги на основе базальтового волокна / Г.А. Вороновская, М.Ф. Махова, В.Г. Тищенко // Науч. тр. Укр. НИИБ. 1971. -Вып. 14. - С. 109-114.
4. Чижов, Г.И. Соединения алюминия в производстве бумаги: диссертация на соискание ученой степени доктора технической наук / Г.И. Чижов. -Л.: ЛТА, 1987. -448с.
5. Чижов, Г.И. Новые направления в использовании соединений алюминия при производстве бумаги / Г.И. Чижов // Целлюлоза, бумага, картон: Обзор информации. -М.: ВНИПИЭИлеспром, 1984. -48 с. -ISSN 08694923.
6. Libal, J. Mechanismus vznikur listupapiryze cklenencjch microvlaken / J. Libal. -Papira cellulose, 1985. -P 3.-5, 8-12.
7. Hermans, Р.Н. Physic and Chemistiy of Cellulose Fibres / Hermans, P.H. -Elsevies: New York and Amsterdam, 1949.
8. Пат. 2186037 Франция, МКИ D 21 h 5/0011 И 32 и 19/00, 27/00. BREVET D, INVENTION / institute national de la hpropriete industrielle. - №72 19052; Date de depot 26.05.72; Date de la decision de deliverance 10.09.1973; - 7 p.
9. Новикова, B.C. Применение минеральных волокон в производстве фильтровальных материалов / B.C. Новикова, Н.Н. Щекина // Целлюлоза. Бумага. Картон: Обзор. -Вып. 1. -1976. -20 с. -ISSN 08694923.
© Е. В. Дубовой - аспирант Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого, [email protected]; И. Н. Ковернинский - д.т.н., профессор, президент НП НПК «Бумага и картон», kovem@/Hst.ru; А. С. Смолин, профессор, д.т.н., зав. кафедрой технологии бумаги и картона Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии; А. В. Канарский - д.т.н., профессор каф. пищевой биотехнологии, КНИГУ, [email protected].
© E. V. Dubovoy - postgraduate student Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University, [email protected]; 1 N. Kovernincky - DSc (Engineering) professor, research and production cluster «Paper and Cardboard» Russia, Moscow, PHDof Technical Sciences. Professor, [email protected]; A. S. Smolin, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of Department of Paper Technology and cardboard St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. Graduate School of Technology and Energy. Institute of Technology; A. V. Kanarskiy - Dr. Tech. Sci., professor, Department of Food Biotechnology, Kazan National Research Technological University, [email protected].
