CC BY
54
УДК 676.2.024.74.044.017:547.458.61
В. В. Горжанов, мл. науч. сотрудник (БГТУ); Т. П. Шкирандо, ст. науч. сотрудник (БГТУ);
В. И. Темрук, ген. директор (ПУП «Бумажная фабрика» Гознака);
Т. В. Соловьева, профессор (БГТУ)
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ДЕСТРУКЦИИ КРАХМАЛА НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА БУМАГИ
Исследовано влияние степени деструкции модифицированного крахмала при его использовании в качестве состава для поверхностной проклейки на свойства бумаги. Получение крахмала с различной степенью деструкции осуществлялось при помощи ферментных препаратов. Показано, что в зависимости от молекулярной массы полисахаридов крахмала изменяется как количество нанесенного связующего, так и характер его распределения в z-направлении бумаги. Изменяя в процессе модифицирования крахмала степень его деструкции, можно управлять свойствами бумаги. Показано, что свойства поверхности бумаги зависят в основном от характера распределения связующего, а механические свойства - от количества нанесенного связующего и молекулярной массы крахмала.
The Explored influence degree destruction of the modified starch under his use as composition for surrface sizing on characteristic of the paper. The Reception of the starch with different degree destruction was realized at ferments preparation. It Is Shown that depending on molecular mass polysaccharides starch changes as amount inflicted connecting, so and nature of his distribution in z-direction of the paper. Changing in process of modification starch degree his destruction, possible control the characteristic of the paper. It Is Shown that characteristic to surfaces of the paper hang from nature of the distribution connecting basically, but mechanical characteristic from amount inflicted connecting and molecular mass of the starch.
Введение. Мировое производство крахмала и крахмалопродуктов за последнее десятилетие увеличилось в два раза и в настоящее время составляет около 60 млн. т [1]. Растет применение крахмала и в бумажной промышленности: в процессах флокуляции волокон, проклейке бумаги, ее покрытии, где он используется в модифицированном виде. В настоящее время крахмал является одним из наиболее широко используемых пленкообразующих полимеров для поверхностной проклейки бумаги.
Свойства модифицированных крахмалов в значительной степени определяются степенью деструкции полисахаридов крахмала, с изменением которой можно устранить такие нежелательные свойства, как студнеобразование и ретроградация. Однако в этом случае ухудшаются свойства крахмала как полимера - снижается связующая и пленкообразующая способность [2]. Поэтому при его модификации следует стремиться к тому, чтобы степень деструкции крахмала оставалась достаточно низкой, т. е. деструкция крахмала была по возможности меньше, а вязкость его дисперсии по возможности ниже.
Основная часть. Степень деструкции крахмала, используемого для поверхностной проклейки, будет непосредственно влиять на свойства бумаги. Поэтому целью работы являлось определение влияния степени деструкции крахмала на показатели качества бумаги с поверхностной проклейкой. Для этого в лабора-
торных условиях обрабатывали с поверхности образцы бумаги дисперсиями крахмала с различной степенью деструкции, которые получали при помощи ферментных препаратов и оценивали при помощи показателя молекулярной массы (ММ), определенной химическим методом [3]. В качестве бумаги-основы была использована бумага массой 70 г/м2, изготовленная в промышленных условиях ПУП «Бумажная фабрика» государственных знаков Министерства финансов Республики Беларусь, без поверхностной проклейки, которую затем осуществляли на лабораторном клеильном прессе. При проведении эксперимента использовали дисперсии крахмала 4-х и 6%-ной концентрации, ранее определенных экспериментально. Оценивали механические, структурные и сорбционные свойства бумаги, а также свойства, характеризующие ее поверхность.
При оценке свойств бумаги определяющими характеристиками являются количество связующего, нанесенного на бумагу, и распределение этого связующего по толщине бумаги (2-направление). Эти две характеристики взаимно дополняют друг друга и позволяют комплексно охарактеризовать изменения свойств бумаги, происходящих при ее поверхностной проклейке.
Для оценки количества крахмала, нанесенного на поверхность бумаги при поверхностной проклейке, использовали показатель привеса на 1 м2 бумаги. Чем больше вносится связующего,
тем более заметно изменение в свойствах бумаги, оказываемое этим связующим. Зависимость привеса крахмала от его ММ представлена на рис. 1.
с
е
в
и
При
4
3.5 3
2.5 -2 -
1.5 -1
0,5
0 20 000 40 000 60 000 80 000 100 000120 000
ММ крахмала
Рис. 1. Зависимость количества крахмала, наносимого на поверхность бумаги, от его ММ при концентрации крахмала:
1 - 4%; 2 - 6%
Как видно из рис. 1, максимальный привес наблюдается для крахмала с высокой степенью деструкции. При увеличении ММ крахмала в его дисперсии привес крахмала уменьшается, что можно объяснить увеличением вязкости таких дисперсий.
Для оценки распределения крахмала при изменении степени деструкции определяли проникновение крахмала по толщине бумаги в процессе поверхностной проклейки бумаги.
Для оценки характера распределения крахмала в z-направлении образцы бумаги обрабатывали йодом и при помощи метода сканирующей электронной микроскопии с проведением элементного анализа сканировали поперечный срез, получая бинарные изображения, элементы которых образованы пикселями, соответствующими элементу «йод», а, следовательно, и крахмалу. Зависимость распределения крахмала в z-направлении от степени деструкции крахмала представлена на рис. 2. Поскольку бумага-основа была изготовлена с применением катионного крахмала, введенного в массу, на рис. 2 также приведено распределение крахмала без поверхностной проклейки.
Как видно из рис. 2, распределение крахмала в z-направлении для всех дисперсий носит характер U-образной кривой: происходит
уменьшение количества связующего при увеличении глубины его проникновения. С ростом ММ полисахаридов крахмала наблюдается увеличение неравномерности распределения крахмала в z-направлении. Так, например, при концентрации 4% в диапазоне мМ 28 500-29 000 разница в содержании крахмала между уровнями среза 80-100 (0-20) и 40-60 мкм составляет 2,58-4,71%, а разница при ММ, равной 92 600102 200, составляет 17,31-22,55%. Это свиде-
тельствует о том, что при высокой степени деструкции полисахаридов крахмала образуется большое количество низкомолекулярной фракции, которая хорошо проникает в поры бумаги, равномерно распределяясь по всей ее толщине. В этом случае можно говорить о процессе пропитки бумаги. С ростом ММ крахмала происходит увеличение длины макромолекул крахмала, что затрудняет проникновение крахмала в z-направлении, и происходит его накопление в поверхностных слоях бумаги.
е
р
с
ь
н
е
в
о
£
80-100
60-80
40-60
20^0
0-20
е
р
с
ь
н
е
в
о
£
0 10 20 30 50 60 70 80 90 100
Доля пиксел, %
п ММ = 28 470-28 950 □ ММ = 92 570-102 200
■ ММ = 73 720-81 420 п без проклейки
а
80-100 60-80 40-60 20-40 0-20
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Доля пиксел, %
□ ММ = 16 840-25 620 □ ММ = 43 650-75 600
п ММ = 26 780-42 270 □ без проклейки
б
Рис. 2. Распределение крахмала в z-направлении бумаги: а - для 4%-ной дисперсии; б - для 6%-ной дисперсии
Полученными данными по привесу крахмала и его распределению в бумаге пользовались для объяснения изменений свойств бумаги при ее поверхностной проклейке крахмалом, отличающимся степенью деструкции. Изучали влияние степени деструкции крахмала на механические, структурные, сорбционные свойства, а также свойства поверхности бумаги.
Механические свойства бумаги оценивали по показателям разрушающего усилия и прочности на излом при многократных перегибах, определяемых по ГОСТ и ГОСТ соответственно.
1
Зависимости механических свойств бумаги от степени деструкции наносимого на ее поверхность крахмала представлены на рис. 3.
Как видно из рис. 3, разрушающее усилие и прочность на излом имеют область, обеспечивающую их максимальный прирост. Одновременно повышение концентрации дисперсий крахмала приводит к смещению максимальных значений в область с более высокой степенью деструкции крахмала. Так, при проклейке бумаги дисперсиями крахмала 4%-ной концентрации максимальные значения разрушающего усилия 75-80 Н достигаются при значениях ММ крахмала 50 000-70 000. При проклейке дисперсиями 6%-ной концентрации максимальные значения 69-72 Н достигаются при ММ 35 000-50 000.
Та же зависимость характерна и для показателя прочности на излом: область максимальных значений для 4%-ной дисперсии находится в пределах значений ММ крахмала 50 000-70 000, а для 6%-ной - в области 15 000-25 000.
К 90
Л 0 20 000 40 000 60 000 80 000 100 000 120 000
ММ крахмала а
Ы
Рис. 3. Изменение механических свойств бумаги от ММ крахмала при его концентрации:
1 - 4%; 2 - 6%; а - для показателя усилия при разрыве; б - для показателя прочности на излом
Для бумаги, обработанной дисперсиями крахмала с ММ свыше 70 000 для 4%-ной дисперсии и ММ свыше 25 000 и 50 000 при 6%-ной для показателей прочности на излом и разрушающего усилия соответственно, характерно
снижение показателей механической прочности. Это можно объяснить неглубоким их проникновением в бумагу, что подтверждает и снижение привеса при повышении ММ крахмала.
Структурные изменения в бумаге оценивали при помощи показателя воздухопроницаемости. Зависимость этого показателя от степени деструкции крахмала представлена на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость воздухопроницаемости бумаги от ММ крахмала при концентрации:
1 -4%; 2- 6%
Как видно из рис. 4, с увеличением ММ крахмала в его дисперсии происходит снижение воздухопроницаемости бумаги. При этом, для 6%-ной дисперсии крахмала снижение этого показателя происходит интенсивнее, чем для 4%-ной. Так, для 6%-ной дисперсии минимальные значения показателя воздухопроницаемости - 200 мл/мин достигаются при значениях ММ 50 000, а для 4%-ной такого же значения удается достигнуть при ММ крахмала свыше 90 000. Это можно объяснить тем, что при таких значениях ММ уменьшается проникновение макромолекул в бумагу и увеличивается содержания их на поверхности. Предположительно это приводит к уменьшению как количества пор, так и их размера у проклеенной с поверхности бумаги.
Сорбционные свойства бумаги оценивали с помощью показателя впитываемости при одностороннем смачивании по Коббу30. Этот показатель достаточно важен для бумаги для печати. Он характеризует впитываемость воды при непосредственном контакте ее с бумагой. В частности, качество оттиска при использовании печатных офсетных красок на водной основе зависит от впитывания воды бумагой. Однако этот показатель должен находиться на определенном уровне, чтобы не допустить чрезмерного впитывания воды и вследствие этого изменения линейных размеров листа бумаги, что приведет к браку при печати на многосекционных печатных машинах.
Зависимость впитывания при одностороннем смачивании от степени деструкции крахмала показана на рис. 5.
Как видно из рис. 5, крахмал образует на поверхности бумаги покрытия, не стойкие к действию воды. Связи, образованные как между молекулами крахмала, так и между молекулами крахмала и целлюлозы, легко разрушаются под действием воды, что приводит к повышению показателя впитываемости. Наблюдается характерная зависимость увеличения впитываемости с ростом ММ крахмала, нанесенного на поверхность бумаги: наиболее интенсивный рост этого показателя до 26-28 г/м2 наблюдается при значениях ММ крахмала до 80 000 для 4%-ной дисперсии и до 40 000 для 6%-ной дисперсии. При низких значениях ММ происходит преимущественно процесс пропитки бумаги, короткие молекулы крахмала хорошо проникают в поры между волокнами, равномерно распределяясь по толщине бумаги. При этом свойства поверхности бумаги незначительно отличаются от свойств поверхности бумаги-основы. При росте ММ крахмала проникновение его макромолекул затрудняется, что приводит к концентрированию их в поверхностных слоях бумаги, о чем говорит и уменьшение показателя привеса. Значения впитываемости бумаги при ее поверхностной проклейке 6%-ной дисперсией выше, чем 4%-ной. Это объясняется большим количеством низкомолекулярной фракции полисахаридов крахмала, хорошо сорбирующих воду, которые при повышенной концентрации имеют более высокую вязкость, что затрудняет их проникновение в бумагу и приводит к накоплению на ее поверхности. Стабилизация показателя впитываемости при одностороннем смачивании до постоянного уровня можно объяснить образованием на поверхности бумаги слоя, обладающего сорбционными свойствами, близкими к свойствам крахмальной пленки.
Рис. 5. Зависимость впитываемости при одностороннем смачивании образцов бумаги от ММ крахмала при его концентрации:
1 - 4%; 2 - 6%
Свойства поверхности бумаги оценивали при помощи показателя стойкости поверхности к выщипыванию по Деннисону.
Зависимость этого показателя от степени деструкции крахмала показана на рис. 6.
Как видно из рис. 6, стойкость поверхности бумаги к выщипыванию бумаги растет с увеличением ММ крахмала. При этом показатель мало зависит от привеса крахмала, а наблюдается его явная зависимость от распределения в 2-направлении, что свидетельствует об изменении свойств поверхности бумаги с увеличением ММ крахмала. При высоких значениях ММ (от 80 000 для 4%-ной дисперсии и от 50 000 для 6%-ной дисперсии) наблюдается некоторое снижение, которое можно объяснить ухудшением качества покрытия за счет неравномерного нанесения таких дисперсий, обладающих высокой вязкостью.
ММ крахмала Рис. 6. Зависимость показателя стойкости поверхности бумаги к выщипыванию от степени
деструкции крахмала при его концентрации:
1 -4%; 2- 6%
С ростом концентрации дисперсий крахмала повышается их вязкость, что приводит к более интенсивному процессу изменения свойств поверхности бумаги, а, следовательно, и росту показателей гладкости и стойкости поверхности к выщипыванию.
Проведенные исследования показали, что свойства бумаги в значительной мере зависят от степени деструкции крахмала. Показатели механической прочности бумаги имеют максимальные значения при ММ крахмала 40 000-60 000. Использование дисперсий крахмала с ММ ниже 40 000 и выше 60 000 приводит к снижению механической прочности бумаги.
Впитываемость при одностороннем смачивании бумаги, проклеенной в массе, растет при использовании поверхностной проклейки крахмалом, достигая значений, характерных для крахмальных пленок - 26-28 г/м2. Данный уровень достигается при значениях ММ крахмала, начиная с 50 000.
Показатель стойкости поверхности к выщипыванию также имеет максимум, который достигается при ММ 50 000 для 4%-ной дисперсии и 80 000 для 6%-ной.
Заключение. На основании полученных данных можно заключить, что при использовании 4%-ной дисперсии крахмала целесообразно его ММ до снижать до уровня 60 000-80 000, а при использовании 6%-ной - до уровня 30 000-50 000. При таких значениях ММ крахмала возможно получить бумагу с высокими механическими характеристиками, обладающую необходимым уровнем свойств поверхности.
Литература
1. Ловкис, З. В. Технология крахмала и крахмалопродуктов: учеб. пособие / З. В. Ловкис, В. В. Литвяк, Н. Н. Петюшев. - Минск: Асобный, 2007. - 178 с.
2. Крылатов, Ю. А. Проклейка бумаги / Ю. А. Крылатов, И. Н. Ковернинский. - М.: Лесная пром-сть, 1987. - 228 с.
3. Рихтер, М. Избранные методы исследования крахмала / М. Рихтер, З. Аугустат, Ф. Ширбаум. -М.: Пищевая пром-сть, 1975. - 184 с.
Поступила 26.03.2010
