CC BY
29
УДК 676.014.42:676.024.7
Т. О. Щербакова, аспирант (БГТУ);
Н. В. Черная, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой (БГТУ); П. А. Чубис, кандидат технических наук, старший преподаватель (БГТУ);
Н. В. Жолнерович, кандидат технических наук, доцент (БГТУ);
О. Ю. Саванович, студентка (БГТУ)
ОСОБЕННОСТИ ПРОКЛЕЙКИ НАПОЛНЕННОЙ БУМАЖНОЙ МАССЫ В ПРИСУТСТВИИ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТА
Показано, что снижение размера частиц наполнителя от 3-5 мкм (природный) до 0,65-0,82 мкм ({[СаСОз]т- пСО32- • (п - x)Na+}x- • xNa+) позволяет провести процесс наполнения не только в режиме гетероадагуляции, но и пенитрации. Для получения высокозольной бумаги с повышенными гидрофобными и прочностными свойствами целесообразно последовательно вводить в волокнистую суспензию хлорид кальция и карбонат натрия для получения частиц высокодисперсного наполнителя (расход 10% от а. с. в.), а затем полиэтиленимин (расход 0,075% от а. с. в.) и проклеивающее вещество АКД (расход 0,5% от а. с. в.), проявляющие флокулирующее и проклеивающее действие соответственно.
It is shown that to reduce the size of the filler particles from 3-5 microns (natural) to 0.65-0.82 microns ({[СаСОз]™- пСОз2- • (n - x)Na+}x- • xNa+) allows for the filling process in geteroadagulation and penitration. To obtain high elevated paper with high-hydrophobic and strength properties it is advisable to sequentially introduced into the pulp slurry, calcium chloride and sodium carbonate to obtain superfine particles of filler (consumption 10% of a. d. f.), then polyethylenimine (consumption 0.075% a. d. f.) and adhesive based on alkylketenedimer AKD (consumption 0.5% a. d. f.) demonstra-ting floculating and sizing effect respectively.
Введение. В композиции бумаги широко применяют разнообразные природные наполнители (мел, каолин, бланфикс, гипс и др.) [1-4]. Их использование позволяет не только заменить часть дефицитного первичного волокнистого сырья, но и придать бумаге высокие печатные свойства. Однако для частиц дисперсной фазы природных наполнителей характерны неоднородность и кру-пнодисперсность, что не обеспечивает равномерное распределение их на поверхности волокон.
Поэтому замена природных наполнителей на высокодисперсные (получают путем химического взаимодействия двух и более соединений) позволит, по нашему мнению, сместить процесс наполнения из традиционного режима гомокоагуляции в более эффективный режим гетероадагуляции. Следствием этого является возможность обеспечения равномерного распределения и прочной фиксации частиц наполнителя на поверхности (наполнение в режиме гетероадагуляции) и в люменах волокон (наполнение в режиме пенитрации).
Предлагаемый технологический режим наполнения бумажной массы в режиме гетероадагуляции и пенитрации осуществляли путем последовательного введения в ее структуру хлорида кальция (компонент 1) и карбоната натрия (компонент 2). Продуктами их взаимодействия являлись карбонат кальция (проявляет роль наполнителя) и хлорид натрия. Последующая стадия проклейки наполненной бумажной массы обеспечивала требуемые гидрофобные свойства полученных из нее образцов бумаги.
Поэтому изучение особенностей проклейки наполненной бумажной массы высокодисперсными соединениями, полученными путем последовательного введения в волокнистую суспензию CaCl2 и ^2СОз представляет научный и практический интерес.
Цель работы - изучение процесса проклейки наполненной бумажной массы высокодисперсным карбонатом кальция в присутствии полиэлектролита.
Основная часть. Работу проводили в два этапа: на первом - исследовали влияние высокодисперсного соединения на обезвоживающую способность наполненной волокнистой суспензии; на втором - изучали особенности проклейки наполненной бумажной массы. Научный и практический интерес представляет протекание процесса пенитрации за счет образования частиц дисперсной фазы высокодисперсного наполнителя в люменах волокон [5-8].
В исследованиях использовали следующие материалы: целлюлоза сульфатная беленая из лиственных пород древесины (ГОСТ 28172-89), хлорид кальция (ГОСТ 450-77), карбонат натрия (ГОСТ 2156-76), полиэтиленимин (ПЭИ), полиамин (ПА), алкилкетендимеровая эмульсия марки Basoplast 850D (АКД), укрепленный канифольный клей марки ТМ (ТУ РБ 00280198-017-95).
Образцы бумаги изготавливали массой одного метра квадратного 80 г. Степень помола волокнистой суспензии составляла 40°ШР. Процесс наполнения 1%-ной волокнистой суспензии осуществляли путем последовательного введе-
ния в нее 10%-ных растворов компонентов 1 и 2 с последующим перемешиванием полученной дисперсной системы в течение 150 с. Количество введенных компонентов 1 и 2 приводило к образованию требуемого количества СаСОз, которое соответствовало 5, 10, 15% от абсолютно сухого волокна (а. с. в.). После наполнения бумажной массы в нее вводили полиэлектролит (ПА или ПЭИ), расход которого увеличивали от 0 до 0,075% от а. с. в., после чего проклеивали бумажную массу выбранными исследуемыми проклеивающими веществами (расход ТМ и АКД увеличивали от 0 до 1,0% от а. с. в.).
На первом этапе исследовали влияние наполнителя на обезвоживающую способность наполненной волокнистой суспензии с использованием полиэлектролитов ПА и ПЭИ.
Скорость обезвоживания бумажной массы определяли по канадской методике на аппарате СР-2 с закрытым центральным отверстием. Сущность методики основана на определении времени, необходимого для отделения заданного количества фильтрата (700 см3) при свободном обезвоживании бумажной массы на сетке аппарата Шоппер - Риглера. Концентрация массы при обезвоживании составила 0,3% [9].
Скорость обезвоживания V, см3/с, рассчитывали по формуле
V = 700 / t, (1)
где t - время истечения 700 см3 фильтрата через слой массы, с.
Для определения содержания взвешенных веществ в подсеточной воде фильтрат в количестве 700 см3, оставшийся после определения скорости обезвоживания, фильтровали, используя колбу Бунзена, воронку Бюхнера, насос и заранее высушенный до постоянной массы и взвешенный фильтр («синяя» лента). Затем фильтр с осадком высушивали в сушильном шкафу до постоянной массы при температуре (103 ± 2)°С. Содержание взвешенных веществ в подсеточной воде В, мг/дм3, рассчитывали по формуле
В = m / V, (2)
где m - масса высушенного до постоянной массы осадка, мг; V - объем подсеточной воды, оставшийся после определения скорости обезвоживания, равный 0,700 дм3.
Средний размер частиц наполнителя определяли по стандартной методике путем изучения скорости их осаждения в соответствии с законом Стокса [1]
г = K -W, (3)
где г - средний размер частиц, мкм; K - коэффициент, равный 0,537; v - скорость движения частицы, м/с.
Установлено, что размеры частиц полученного наполнителя (0,65-0,82 мкм) значительно меньше, чем у природного (3-5 мкм).
Влияние вида и расхода полиэлектролита на скорость обезвоживания бумажной массы и содержание взвешенных веществ в подсеточной воде представлены на рис. 1 и 2.
Расход полиэлектролита, % от а. с. в.
О ПА □ карбонат кальция + ПА
А ПЭИ X карбонат кальция + ПЭИ
Рис. 1. Влияние вида и расхода полиэлектролита на скорость обезвоживания бумажной массы
□ ПЭИ О карбонат кальция + ПЭИ
А ПА X карбонат кальция + ПА
Рис. 2. Влияние вида и расхода полиэлектролита на содержание взвешенных веществ в подсеточной воде
Сопоставительный анализ графических зависимостей, представленных на рис. 1 и 2, свидетельствуют о том, что использование ПЭИ в композиции с высокодисперсным карбонатом кальция позволяет ускорить процесс обезвоживания бумажной массы по сравнению с использованием ПА. Применение ПЭИ позволяет сократить содержание взвешенных веществ в подсеточной воде на 27,6% по сравнению с использованием ПА.
Использование ПЭИ, по сравнению с ПА, можно считать предпочтительным, когда в композиции бумажной массы используется высокодисперсный карбонат кальция. Поэтому дальнейшие исследования выполнялись с данным полиэлектролитом.
Важным фактором изготовления бумаги высокого качества является порядок введения в бумажную массу химикатов. Влияние композиционного состава бумажной массы на показатели качества бумаги представлены в таблице.
Из таблицы видно, что с увеличением расхода наполнителя от 5 до 15% от а. с. в. степень удержания его в структуре бумаги изменяется от 93 до 96%. Эти данные свидетельствуют о том, что высокодисперсный наполнитель достаточно хорошо удерживается в структуре бумаги и частично удаляется (4-7%) с подсеточной водой. Использование исследуемого соединения позволяет провести процесс наполнения бумаги в режиме гетероадагуляции, а повышение степени удержания его в структуре бумаги свидетельствует, на наш взгляд, о протекании процесса пенитрации.
Белизна увеличивается от 67 до 76%, а разрывная длина уменьшается с 10 460 до 6040 м. Эти результаты показывают, что высокая степень удержания наполнителя в структуре бумаги снижает прочностные свойства и увеличивает белизну. При этом качество бумаги соответствует регламентируемым значениям.
На втором этапе изучали влияние расхода проклеивающего вещества, вводимого в наполненную бумажную массу, на гидрофобные свойства образцов бумаги.
Влияние вида и расхода проклеивающего вещества на разрывную длину и впитываемость при одностороннем смачивании образцов бумаги представлено на рис. 3 и 4.
Из графических зависимостей, представленных на рис. 3 и 4, видно, что с увеличением расхода проклеивающего вещества от 0 до 1% от а. с. в. наилучшие результаты показало применение проклейки с использованием алкилке-тендимеровой эмульсии АКД с расходом 0,6% от а. с. в., позволяющее снизить впитываемость
при одностороннем смачивании образцов бумаги на 48%, при этом разрывная длина уменьшается незначительно (на 5-11%).
S 10 000 Я 9000 § 8000 « 7000
I 6000
I 5000 | 4000
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Расход проклеивающего вещества, % от а. с. в.
О карбонат кальция + ПЭИ + АКД □карбонат кальция + ПЭИ + ТМ
Рис. 3. Влияние вида и расхода проклеивающего вещества на разрывную длину образцов бумаги
О карбонат кальция + ПЭИ + АКД □карбонат кальция + ПЭИ + ТМ
Рис. 4. Влияние вида и расхода проклеивающего вещества на впитываемость при одностороннем смачивании образцов бумаги
Анализ полученных данных показывает, что для достижения сопоставимых значений разрывной длины (5500-6000 м) необходимо вводить в наполненную бумажную массу проклеивающее вещество АКД (расход 0,5% от а. с. в.) или ТМ (расход 0,8% от а. с. в.).
< >
Качество образцов бумаги в зависимости от последовательности введения химикатов
в волокнистую суспензию
Последовательность введения химикатов в волокнистую суспензию Расход наполнителя, % от а. с. в. Показатели
степень удержания наполнителя, % разрывная длина, м белизна, %
Без использования химикатов - - 10 460 66,53
Получение высокодисперсного наполнителя: CaCl2+Na2CO3 5 99,89 9000 66,43
10 99,73 8750 68,57
15 92,77 6380 72,27
1 этап. Получение высокодисперсного наполнителя: CaCl2+Na2CO3; 2 этап. Введение ПЭИ (расход 0,075% от а. с. в.) 5 96,14 8080 67,87
10 94,13 6910 73,57
15 93,94 6040 75,57
1 этап. Введение ПЭИ (расход 0,075% от а. с. в.); 2 этап. Получение высокодисперсного наполнителя: CaCl2+Na2CO3 5 95,54 6260 70,24
10 93,64 6020 74,13
15 91,81 5700 73,37
Макромолекула проклеивающего вещества АКД
Проникновение реагентов
Рис. 5. Схематическое изображение процесса проклейки наполненной бумажной массы при рН 8,1
В обоих случаях обеспечивается высокая гидрофобность образцов бумаги, о чем свидетельствует впитываемость при одностороннем смачивании, не превышающая 30 г/м2.
Следует отметить, что образцы бумаги обладают требуемыми свойствами при проклейке наполненной бумажной массы проклеивающими веществами АКД при рН 8,1 и ТМ при рН 6,2. Однако расход проклеивающего вещества АКД меньше, чем расход ТМ на 35%, что имеет важное практическое значение.
На рис. 5 схематически изображен процесс проклейки алкилкетендимеровой эмульсией АКД наполненной бумажной массы высокодисперсным карбонатом кальция.
Из рис. 5 видно, что процесс наполнения бумажной массы осуществляется в режиме гетероа-дагуляции. Об этом свидетельствует высокая степень удержания наполнителя в структуре бумаги, достигающая 94,13%. Одновременно с гетероада-гуляцией происходит пенитрация, что позволяет освободить часть поверхности целлюлозных волокон для осуществления проклейки, о чем свидетельствует снижение впитываемости бумаги с увеличением расхода проклеивающего вещества.
Анализ представленных данных свидетельствует о том, что высокодисперсные наполнители положительно влияют на белизну и разрывную длину бумаги. Достигаемый эффект объясняется смещением процесса наполнения из традиционного режима гомокоагуляции в более эффективный режим гетероадагуляции, а протекание процесса пенитрации повышает возможность экономии дефицитного первичного волокнистого сырья (целлюлозы).
Заключение. К особенностям проклейки наполненной бумажной массы относятся: последовательность введения химикатов в волокнистую суспензию, их расходные нормы и рН полученной бумажной массы. Предпочтительным является следующий порядок введения химикатов: сначала необходимо дозировать 10%-ные растворы хлорида кальция и карбоната натрия для
получения частиц дисперсной фазы наполнителя размером 0,65-0,82 мкм (расход 10% от а. с. в.), полиэлектролит ПЭИ (расход 10% от а. с. в.) и проклеивающее вещество АКД (расход 0,5% от а. с. в.). Полученная бумажная масса имеет рН 8,1. Изготовленные из полученной бумажной массы образцы обладают следующими свойствами: разрывная длина 6910 м, белизна 73,57%. При этом степень удержания наполнителя в структуре бумаги составляет 94,13%,
Литература
1. Технология целлюлозно-бумажного производства: в 3 т. / редкол.: П. Осипов (гл. ред.) [и др.]. СПб: Политехника, 2002-2006. - Т. 2: Производство бумаги и картона. Ч. 2: Основные виды и свойства бумаги, картона, фибры и древесных плит / М. Остреров [и др.]. 2006. 499 с.
2. Иванов С. Н. Технология бумаги. Минск: Лесная промышленность, 1970. 696 с.
3. Фляте Д. М. Свойства бумаги. М.: Лесная промышленность, 1988. 440 с.
4. Использование наполнителей в технологии газетной бумаги / А. А. Пенкин [и др.] // Труды БГТУ. Сер. IV, Химия и технология орган. в-в и биотехнология. 2010. Вып. Х^П. С. 216-219.
5. Воюцкий С. С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1976. 512 с.
6. Поверхностные явления и дисперсные системы: лабораторный практикум для студентов химико-технологических специальностей / А. А. Шер-шавина [и др.]. Минск: БГТУ, 2005. 106 с.
7. Свойства бумаги в зависимости от расхода синтетического наполнителя / Т. О. Щербакова [и др.] // Труды БГТУ. 2013. № 4: Химия, технология орган. в-в и биотехнология. С. 173-175.
8. Фролов Ю. Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы; учеб. для вузов. М.: Химия, 1988. 464 с.
9. Крупин В. И., Блинова И. С. Взаимодействие катионного крахмала с бумажной массой // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2005. № 4. С. 62-65.
Поступила 25.02.2014
