CC BY
39
УДК 676.19
А. С. Смолин, В. К. Дубовый, Д. Ю. Комаров, А. В. Канарский
ПЕННЫЙ СПОСОБ ФОРМОВАНИЯ ФИЛЬТРОВАЛЬНОЙ БУМАГИ НА ЦЕЛЛЮЛОЗНОЙ ОСНОВЕ
Ключевые слова: целлюлоза, мерсеризация, поверхностно-активные вещества, пенное формование, фильтровальная бумага.
Показано влияние пенного способа формования на свойства фильтровальной бумаги на основе сульфатной хвойной беленой целлюлозы. Установлено, что при расходе поверхностно-активного вещества Triton BG-10 Surfactant 4 мг/л фильтрующие и механические свойства фильтровальной бумаги сопоставимы со свойствами фильтровальной бумаги, в состав которой вводили 20 % мерсеризованной целлюлозы. Исключение из композиции фильтровальной бумаги мерсеризованной целлюлозы позволяет снизить затраты на производстве фильтровальной бумаги и исключить щелочную обработку целлюлозы при мерсеризации, соответственно снизить и антропогенную нагрузку на окружающую среду.
Keywords: cellulose, mercerization, glass fiber, surface active agents foam technique, filter paper.
The effect of the foam technique forming on the properties of the filter paper-based softwood kraft bleached pulp. It is found, that at a dosage of surfactant Triton BG-10 Surfactant 4 mg /1 the filtering and mechanical properties are comparable to the properties of the filter paper, composed of 20 % treated mercerized cellulose. The exception from compositions the mercerized cellulose filter paper reduces the cost of manufacture offilter paper and to exclude the alkaline mercerizing pulp processing at respectively lower and anthropogenic environmental load.
Актуальность. Фильтровальным материалом при изготовлении необходимо придать развитую пористую структуру, создать комплекс физико-механических и фильтрующих характеристик. При этом важно стремиться к снижению себестоимости такого производства, поскольку фильтры являются расходным материалом и вносят существенных вклад в стоимость эксплуатационных затрат оборудования, где необходимо применение фильтров. Целлюлозные волокна хвойных пород древесины и длинноволокнистая хлопковая целлюлоза создают хорошую пористую структуру [1-3]. При этом целлюлозные волокна способны без посторонних добавок образовывать достаточно прочные межволоконные связи, придавая прочность материалу, а стоимость таких полуфабрикатов относительно невысока. Поэтому в настоящее время значительная часть фильтровальных видов бумаг производится именно из целлюлозы, классическим - гидродинамическим способом формования на бумагоделательной машине [4-5]. Однако, развитие технологии фильтрации требует постоянного улучшения характеристик таких материалов. В частности, предъявляются повышенные требования к задерживающей способности, аэрогидродинамическому сопротивлению, механической прочности фильтровальных материалов и др. [6].
Одним из способов улучшения характеристик фильтровальных видов бумаг является добавление в массу мерсеризованной целлюлозы. Мерсеризация -обработка целлюлозы концентрированными растворами щелочей (12-18 % №ОН).
При мерсеризации целлюлоза претерпевает физико-химические, химические и структурные превращения обусловленные интенсивным набуханием волокон, частичным разрушением межволоконных связей и растворением низкомолекулярных фракций и гемицеллюлозы, а также химическими процессами, в результате которых природная целлюлоза пре-
вращается в гидратцеллюлозу (мерсеризованную целлюлозу) [7]. Важно изменение, с точки зрения получения фильтровальных материалов, является то, что плоские целлюлозные волокна приобретают округлую форму, сохраняя при этом свою целостность.
Альтернативный способ улучшения свойств фильтровальных видов бумаг это применение «пенного» способа формования. Предыдущие исследования [8-9] показали перспективность этого способа и его применение оправдано, прежде всего, с экономической точки зрения. Основной физический механизм формования материалов 'пенным' способом заключается в том, что пузырьки мелкодисперсной пены до разрушения не позволяют волокнам сближаться и образовывать связи. Таким образом, волокна равномерно распределяются в межпузырьковом пространстве по всему объему пены, не образуя флоккул, а после разрушения пены они так же равномерно формируются в полотно. Этот способ позволяет значительно повышать концентрацию волокна (0,02 % до 1 %) при отливе на обычных плоскосеточных БДМ. Однако, вода без пенообразователей устойчивой пены не дает, поэтому необходимо применять ПАВ.
Цель настоящего исследования - сравнение эффектов от «пенного способа» формования и добавления мерсеризованной целлюлозы на качество фильтровальных материалов.
Материалы и методы исследования
Эксперименты проводились с сухими волокнистыми полуфабрикатами хвойной сульфатной беленой целлюлозы (далее СФА) Архангельского ЦБК и товарной мерсеризованной целлюлозой (далее МЦ), полученная из хвойной целлюлозы. Навески полуфабрикатов замачивали для набухания в воде на 4 часа. Далее проводился роспуск на гидроразбивате-
ле «ЛГ-3» в течении 15 минут и размол на мельнице «НДМ-3» до степени помола 20 0ШР. Степень помола контролировалась на аппарате «СР-2».
Лабораторные образцы изготавливались на лис-тоотливном аппарате «ЛА-3». В качестве ПАВ использовался «Triton BG-10 Surfactant» - алкилполиг-ликозид 70 % (далее ПАВ). Для получения мелкодисперсной пены и диспергирования в ней волокна использовалась быстроходная мешалка. Число оборотов 1500-2000, время перемешивания 8-12 мин. Объемное содержание воздуха в пене - 55-75 %, средний размер пузырька - 50 мкм.
При получении отливок «пенным» способом использовали дозировку ПАВ 0,2, 0,3, 0,4 мг/л. При отливе с использованием мерсеризованной целлюлозы в массу вводили 20 %;40 %;60 % мерсеризованной целлюлозы соответственно.
Всего изготовлено и испытано 7 вариантов фильтровальной бумаги:
1- 100 % сульфатной хвойной беленой целлюлозы;
2- 100 % сульфатной хвойной беленой целлюлозы + 0,2 мг/л ПАВ;
3- 100 % сульфатной хвойной беленой целлюлозы + 03, мг/л ПАВ;
4 - 100 % сульфатной хвойной беленой целлюлозы + 0,4 мг/л ПАВ,
5 - 80 % сульфатной хвойной беленой целлюлозы + 20% мерсеризованной целлюлозы;
6 - 60 % сульфатной хвойной беленой целлюлозы + 40% мерсеризованной целлюлозы;
7 - 40 % сульфатной хвойной беленой целлюлозы + 60 % мерсеризованной.
Для всех полученных образцов определялись следующие характеристики:
- толщина (мм) и пухлость (см3/г), на толщиномере типа «ТНБ» (ГОСТ 27.015-86);
- асса 1м2 бумаги (ГОСТ 13199-88) и плотность (ГОСТ 27015-86);
- разрывная длина(м) на вертикальной разрывной машине «F81838» (ГОСТ 1924-1-96);
- капиллярная впитываемость (мм) (ГОСТ 1260293);
- герметичность (Па) [10]
- размер пор (мкм) (DIN 53887)
Результаты и обсуждение
Результаты исследования представлены на рис. 1-5.
На всех диаграммах представлены характеристики контрольного образца из 100 % СФА беленой хвойной целл лоз (степень по ола
Анализ показывает, что фильтрующие характеристик (пухлость, размер пор, капиллярная впиты-ваемость) улучшаются для пенного способа формования и значительно возрастают при использовании мерсеризованной целлюлозы. Герметичность материала, то есть способность задерживать загрязнения, присутствующие в фильтруемой среде, максимальна для контрольного образца, но его фильтрационные характеристики не соответствуют требованиям для фильтровальных материалов. Для образцов пенного
формования герметичность уменьшается и значительно падает при расходах мерсеризованной целлюлозы 40 %и 60 %.
що
ira
^ U»
OED
1 3 Э 4 5 Б- Т
номер варианта
Рис. 1 - Влияние композиции и способа формования на пухлость бумаги
35
1
f а»
а. - 15
1
г. Ii
ъ
о
I 2 1 Ч 1 [' 7
номер варианта Рис. 2 - Влияние композиции и способа формования бумаги на средний размер пор
6000
1 2 3 4 5 6 7
номер варианта
Рис. 3 - Влияние композиции и способа формования бумаги на герметичность
номер варианта
Рис. 4 - Влияние композиции и способа формования бумаги на капиллярную впитываемость
6000
12 3 15 6 7
номер варианта
Рис. 5 - Влияние композиции и способа формования бумаги на разрывную длину
Разрывная длина бумаги имеет тенденцию к снижению для пенного формования из-за уменьшения межволоконного связеобразования в результате ослабления контактов между волокнами в присутствие высокодисперсной пены. При этом малая концентрация ПАВ (0,2 мг/л) способствует увеличению разрывной длины по сравнению с контрольным образцом благодаря выравниванию макроструктуры.
Следует обратить внимание, что образцы бумаги пенного формования, особенной при повышенных концентрациях ПАВ, по фильтрующим характеристикам достаточно близки к композициям, содержащим 20 % мерсеризованной целлюлозы. При этом по герметичности, а тем более прочности, бумага пенного способа формования превосходит бумагу с содержанием 20 % мерсеризованной целлюлозы.
Выводы
1. Показано влияние пенного способа формования на свойства фильтровальной бумаги на основе сульфатной хвойной беленой целлюлозы.
2. Установлено, что при расходе поверхностно-активного вещества Triton BG-10 Surfactant 4 мг/л фильтрующие и механические свойства фильтровальной бумаги сопоставимы со свойствами фильтровальной бумаги, в состав которой вводили 20 % мерсеризованной целлюлозы.
3. Вывод из композиции фильтровальной бумаги мерсеризованной целлюлозы позволяет снизить затраты на производстве фильтровальной бумаги и исключить щелочную обработку целлюлозы при мерсеризации, соответственно снизить и антропогенную нагрузку на окружающую среду.
Литература
1. А.С. Смолин, В.К. Дубовый, Д.Ю. Комаров, А.В. Канарский, Вестник технологического университета, 19, 12, 82-85 (2016).
2. ВНИИБ, Технология целлюлозно-бумажного производства, "Политехника" СПб, II, 2, 374-446 (2006).
3. А.В. Канарский, Экология, 272 (1991).
4. А.В. Канарский, Известия Вузов. Лесной журнал, 4, 114-115 (1997).
5. Papermaking Science and Technology. V18 Paper and board Grades. FAPET Oy, 2000 (электронный ресурс).
6. С.Ю. Кожевников, И.Н. Ковернинский, А.В. Канарский, Вестник технологического университета, 19, 3, 67-71 (2016).
7. В.И. Азаров, А.В. Буров, А.В. Оболенская, Химия древесины и синтетических полимеров, СПб. 1999-627с.
8. Н.А. Зольников, А.С. Смолин, Т.И. Козулина, ВНИИб. Сборник научных трудов. Исследования в области технологии бумаги и картона. 1982-с.9-13.
9. А.С. Смолин, В.К. Дубовый, Д.Ю. Комаров, Известия высших учебных заведения 'Лесной журнал, 1, 101-108 (2011).
10. В.И. Комаров, А.С. Смолин, Лабораторный практикум по технологии бумаги и картона, Санкт-Петербургский политехнический университет.-2006-230 с.
© 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; В. К. Дубовый - д.т.н., профессор кафедры 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 кафедры Пищевая инженерия малых предприятий КНИТУ, alb46@mail.ru; Д. Ю. Комаров - аспирант кафедры технологии бумаги и картона Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики. Институт технологии.
© 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; V. C. Duboviy - Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of paper and cardboard technology, St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. Graduate School of Technology and Energy. Institute of Technology; A. V. Kanarskiy - Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of food engineering in small enterprises, Kazan National Research Technological University, alb46@mail.ru; D. Y. Komarov - Ph.D. Student, Department of paper and cardboard technology, St. Petersburg State University of Industrial Technology and Design. Graduate School of Technology and Energy. Institute of Technology.
