CC BY
21
■----------1 МнТЕРИА
-□ □-
Розглянуто способи тдвищення мщнос-тi паперу для виробiв саттарно-гтетчного призначення у сухому та вологому станах. Здшснено вибiр ефективних хiмiчних реаген-тiв, що полтшують споживн властивостi паперу, зокрема вологомщтсть та мщтсть у сухому стат. Визначено оптимальний вм^т у композици паперу хiмiчних реагентiв для тдвищення мiцностi у сухому та вологому станах
Ключовi слова: патр саттарно-гшенч-ного призначення, мщтсть паперу, споживн властивостi, полiамiднi смоли, модифшован
ешхлоргидрином
□-□
Рассмотрены способы повышения прочности бумаги для изделий санитарно-гигиенического назначения в сухом и влажном состояниях. Осуществлен выбор эффективных химических реагентов, которые улучшают потребительские свойства бумаги, в частности влагопрочность и прочность в сухом состоянии. Определено оптимальное содержание в композиции бумаги химических реагентов для повышения прочности в сухом и влажном состояниях
Ключевые слова: бумага санитарно-гигиенического назначения, прочность бумаги, потребительские свойства, полиамидные
смолы, модифицированные эпихлоргидрином -□ □-
1. Вступ
На сьогодшшнш день целюлозно-паперова галузь Укра!ни переживав складний перюд, пов'язаний з еко-номiчною ситуащвю, що склалася. Значно зменшилося виробництво паперу-основи та готових виробiв: за 2014 р. вичизняними тдпривмствами Украши було виготовлено близько 147 тис. тонн паперово! продукцп, а за «чень-серпень 2015 р. цей показник склав лише 87 тис. тонн, що демонструв значний спад ви-робництва. Частка туалетного паперу у загальному виробництвi паперово! продукцп 2015 року склала 44,4 тис. тонн, що свщчить про непропорцшшсть ринку продукцп саштарно-гтвшчного призначення [1]. Така ситуащя в свщченням зниження кушвельно! спроможносп населення, яке надав перевагу лише товарам першо! необхвдносп, вщмовляючись при цьо-му вщ таких виробiв як паперовi скатертини, кухонш рушники, серветки тощо.
Як показали результати проведених дослщжень, присутня значна кiлькiсть виробiв саштарно-гтвшч-ного призначення (ВСГП), що не вщповщають вимо-гам нормативних докуменпв: мають низький рiвень механiчноi мщносп в сухому та вологому станах, не-достатню вбирну здатнiсть та бШсть [2]. Виробникам
Л. В. НнчрГ!
УДК 676.017.4
|DOI: 10.15587/1729-4061.2016.598321
П1ДВИЩЕННЯ ВОЛОГОМ1ЦНОСТ1 ПАПЕРУ ШЛЯХОМ ВИКОРИСТАННЯ ПОЛ1АМ1ДНО1 СМОЛИ
Л. В. Андр^евська
Кандидат технiчних наук, старший викладач* E-mail: knteu.mila@mail.ru Т. Г. Глушкова Кандидат технiчних наук, доцент* E-mail: tanya.2909@inbox.ru Л. А. Коптюх Доктор технiчних наук, професор* С. С. Стретович Асистент* E-mail: bara-s@mail.ru *Кафедра товарознавства та експертизи непродовольчих товарiв КиТвський нацiональний торговельно-економiчний уыверситет вул. Кiото, 19, м. КиТв, УкраТна, 02156
цiei продукцп слвд вжити необхiдних заходiв для по-лiпшення ii якiсних характеристик. Тому дослщження щодо полiпшення споживних властивостей паперу для ВСГП, а саме тдвищення мщност паперу в сухому та вологому станах (яю е основними показниками, що забезпечують експлуатацшш властивостi готових виробiв) без зниження показниюв бiлостi та пухкостi, е досить актуальними на сьогодш.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
Яюсть паперових ВСГП формуеться в процеа ви-робництва i значною мiрою залежить вiд волокни-стоi сировини та технологii виготовлення. Одним з найважливших показникiв надшност паперу для ВСГП, що забезпечуе його споживш та експлуатащ-йт характеристики, е мiцнiсть у сухому та волого-му станах. Саме цей показник формуе та забезпечуе умови i можлившть використання паперових ВСГП, збер^аючи основш параметри функцiонування в часi та границях, яю вiдповiдають визначеним вимогам ii споживання [3].
Мщшсть паперу та виробiв з нього у сухому ста-нi залежить вщ виду волокнистих напiвфабрикатiв,
режимiв '1хньо'1 пiдготовки (розмелювання, очищен-ня), виливання (формування) та сушшня паперового полотна, а також вщ хiмiчних речовин, якi сприяють 11 тдвищенню [4]. Необхiдний рiвень механiчноi мщ-ностi може бути досягнутий використанням у рiзних спiввiдношеннях практично вшх видiв целюлозних волокон, у тому числi вторинного волокна (макула-тури), вмкт якого у деяких видах продукцп досягае 100 %. Мехашчну мiцнiсть паперу для ВСГП у сухому сташ оцiнюють величиною руйшвного зусилля в середньому за двома напрямами (машинному i поперечному) [5].
Зпдно вимог до спещальних видiв паперу для ВСГП, рiвень його механiчноi мiцностi в сухому сташ зазвичай обмежуеться значеннями, що забезпечують безобривну роботу папероробного та переробного об-ладнання. Можливе тдвищення мехашчно' мщнос-тi паперу в сухому сташ за рахунок удосконален-ня деяких технолопчних операцiй i процесiв роботи папероробного обладнання та надання спещальних властивостей паперу, наприклад, вологомщноси, бак-терицидностi тощо [6-8].
Мщшсть паперу для ВСГП у вологому сташ (воло-гомiцнiсть) е неввд'емною вимогою до таких товарiв, як серветки, господарськi рушники, скатертини, про-стирадла тощо. Необхiдний рiвень мiцностi паперу у вологому сташ визначаеться сферою i характером використання виробiв з нього. Для паперу особистого та комерцшного використання (патр-основа для руш-никiв та серветок) вологомщшсть складае 10-25 %, для спещального паперу медичного та професшного використання цей показник може досягати 100 % [9].
Для тдвищення мщност паперу використовують-ся водорозчинш полiмери рiзних класiв: полiетиле-шмш, глiоксаль, полiвiнiловий спирт, модифiкованi крохмал^ карбамiднi, полiалкiленiмiновi, полiамi-дамiноепiхлоргiдриновi та iншi вологостiйкi смоли, якi адсорбуючись на волокнах целюлози, сприяють утворенню зв'язкiв, стiйких до руйнуючо'1 дп води. Вивченням даного питання займалися [10, 11], також дослiдження набули значного розвитку [12-17].
У розвинених крашах свиу значна увага у виробни-цтвi паперово'1 продукцii санiтарно-гiгiенiчного при-значення прид^яеться використанню iнновацiйного вартiсного обладнання та дорогих хiмiчних речовин, яю забезпечують полiпшення властивостей готових виробiв. В Украiнi, як i в шших кра'нах, що розви-ваються, целюлозно-паперова промисловiсть знахо-диться в складному економiчному положеннi. Тому результати дослщження, спрямованi на полiпшення властивостей паперово'1 продукцп, не повинш перш за все призводити до значного зростання вартост готових виробiв. Тобто необхщно знайти таке ршення, яке дало б змогу тдвищити споживнi властивостi паперово'1 продукцп без застосування додаткового техноло-пчного обладнання та дорогих хiмiчних реагенпв. До цього часу цьому питанню було прид^ено недостатньо уваги, тому дане дослщження спрямоване на виршен-ня вищезазначеного завдання.
Варто зазначити, що вирiшення дано'1 проблеми дасть можливiсть пiдвищити рiвень якостi та кон-курентоспроможностi виробiв санiтарно-гiгiенiчного призначення не лише на внутршньому ринку, а й за-безпечить '1х попит на европейському та свиовому рин-
ках. Адже основною вимогою до якоси дано1 продукцii е ii вiдповiднiсть вимогам нащональним стандартам, якi гармонiзованi з мiжнародними EN та ISO.
Якщо розглядати структуру паперу для ВСГП i3 коротких рослинних волокон, слщ вiдмiтити ii осо-бливостi порiвняно з iншими видами паперу. Основна вщмшшсть у структурi полягае у тому, що переваж-на б^ьшкть такого паперу виготовляеться i3 100 % слабкорозмелених деревних волокон (целюлоза та де-ревна маса) без додавання наповнювачiв та хiмiчних речовин. Таким чином, мщшсть паперового полотна формуеться завдяки силам мiжволоконних зчеплень. Необхщна мщшсть паперу досягаеться за використання паперовоi маси садкого помелу з найменшим пошкодженням стшок волокна [18].
У своiх працях [19] певш науковцi роздiляли фак-тори, вiд яких залежить мщшсть паперу на двi групи:
- змшш фактори, що визначаються яюстю вихвд-ного волокнистого матерiалу;
- змшш фактори, що визначаються технолопч-ним процесом виробництва паперу (ступенем помелу волокнистих натвфабрикапв, режимами виливання (формування), пресування, сушшня та заключного оброблення паперового полотна).
Найважлившими з них е: величина сил зчеплення волокон у папер^ яка у свою чергу залежить вщ юль-костi точок контакту iх мiж собою та площею поверхш, на якiй дiють цi сили; мiцнiсть целюлозних волокон, що формують паперове полотно, iхня гнучкiсть та розмiри; рiвномiрнiсть за довжиною i шириною; розта-шування волокон у паперовому полотш [19].
Для такого паперу-основи, як наприклад, для гос-подарських рушниюв, спецiальних серветок медич-ного та побутового призначення дуже важливим по-казником е вологомщшсть, тобто ступшь збереження паперу у вологому сташ за ввдповвдних умов використання достатньоi мщносп i стiйкостi до розриву тд час розтягування.
Вологомiцним вважаеться патр, який за повного насичення водою зберте вiд 15 до 50 % своеi початко-воi мщность Зазвичай папiр мае не високу вологомщшсть i рветься внаслщок ослаблення водневих зв'язкiв мiж волокнами тд дiею води. За повного насичення водою звичайний патр, виготовлений без використання змщнювальних i зв'язувальних речовин, ледве зберiгае 2-4 % своеi мiцностi в сухому стань
Мехашзм пiдвищення вологомiцностi паперу до кшця не з'ясовано. Сучасш дослiдження науковцiв по-казують, що волокна целюлози зовам не змшюються тд дiею штучних смол, як завдяки електростатичним зарядам, утворюють на поверхш волокон невидиму неозброеним оком тонку плiвку, що зв'язуе волокна, створюючи отр проникненню води в структуру волокон та зменшуючи таким чином iхню здатшсть до набухання. Це сприяе зниженню деформацшних впливiв на мiцнiсть паперу тд час його намокання та наступного висихання [15-17].
Показник вологомщност залежить вщ багатьох чинникiв, а саме: вщ виду i стану волокнистоi маси -маса з волокнами бiльшоi довжини переважно забез-печуе паперу б^ьш високу вологомiцнiсть, де значною мiрою впливае механiчне зчеплення волокон. Небажа-ною е присутшсть дрiбноi фракцii волокна, яка сильно адсорбуе смолу, що вводиться до паперовоi маси для
тдвищення вологомщносп, а потiм усувавться (ви-водиться) стiчною водою; наявнiсть рiзних речовин -наприклад, сульфату алюмшж та солей залiза, що мо-жуть впливати на впорядкованiсть волокон у паперг, пластифiкатори, якi знижують вологомiцнiсть паперу через зростання рН або волопсть паперу, що сприяв гiдролiзу штучно! смоли. Важливими також в умови затвердшня смол та процес !хнього введення до паперово! маси [20].
Низька вологомщшсть звичайного паперу (без во-логомщних добавок та попередньо! модифiкацii волокон) зумовлена перш за все швидким руйнуванням мiжволоконних зв'язкiв пiд час набухання паперу у водi та наступним розтягуванням за навантаження. Занурення у воду та намокання звичайного паперу призводить до втрати ним 97-98 % його початково! мщность
Мщшсть у вологому сташ можливо надати паперу рiзними способами, якi подiляють на двi групи.
До першо! групи належать методи, яю Грунтуються на введенш до паперово! маси рiзних хiмiчних речовин - реагентiв, яю подiляють на чотири групи:
1) термозатверджуючi смоли (наприклад, меламшо-та сечовиноформальдепдш смоли);
2) зв'язуючi речовини, яю не розчиннi у водi (рiзнi види латексiв та термопласпв);
3) водорозчиннi адгезиви, якi переходять у нероз-чинну форму в результат хiмiчного оброблення (ма-наногалактанова смола);
4) неоргашчш гiдроксиди, що зазнають незворот-нього зневоднення (титановi та кремнiввi кислоти).
До друго! групи належать методи надання воло-гомiцностi, яю Грунтуються на хiмiчному або меха-нiчному (термомеханiчному) обробленнi волокна або волокнисто! поверхш паперу. Ця група методiв також подiлявться на чотири тдгрупи:
1) використання формальдегiду для з'вднання це-люлозних волокон з утворенням метиленового мштка;
2) короткочасне на^вання паперового полотна до температури 190 °С;
3) оброблення целюлозних волокон оксидами (пе-риодатами, бiхроматами);
4) пергаментащя паперу шляхом просочування кислотами [10].
Мехашзм надання вологомiцностi паперу полягав в наступному: водовiдштовхувальна дiя вологомiцних агентiв, яка полягав у запобтнш проникненню води до волокна i мiжволоконних зв'язкiв; утворення кова-лентних зв'язкiв з волокном; утворення електроста-тичних сил зв'язкiв; утворення вторинних валентних зв'язюв, якi не руйнуються водою; утворення фiзичноi сумiшi за дифузп вологомiцноi добавки у волокно [10].
Варто зазначити, що б^ьшкть хiмiчних допомiж-них речовин, яю використовуються у виробництвi паперу для ВСГП, крiм речовин для тдвищення вбирно! здатностi, м'якост та фарбування паперу в май, спри-яють пiдвищенню його мщност у сухому станi.
Вiдомi способи виготовлення вологомщного па-перу з целюлозних волокон, розмелених до ступеня помелу 27-46 °ШР, оброблених концентрованою (6770 %) арчаною кислотою, концентрованим розчином хлористого цинку або розчином 80 % ортофосфорно! кислоти. Висока вологомщшсть такого паперу дося-гавться за рахунок того, що тд час короткочасного
впливу концентрованих хiмiчних реагентiв на целю-лознi волокна, вiдбувавться !хнв набухання та частко-ве розчинення переважно з поверхш. Шсля вщжиман-ня кислотного розчину на прей частина розчинених целюлозних волокон перерозпод^явться i заповнюв мiжволоконний простiр у структурi паперу. Пiсля про-мивання паперу водою та його усадки тд час сушшня утворювться малопориста зiмкнута структура i, таким чином, досягавться висока вологомщшсть паперу [21].
Проте такий споаб отримання вологомщного паперу в техшчно складним: потребув отримання паперу у два етапи - спочатку на папероробному обладнанш отримують патр-основу, а поим його обробляють концентрованими хiмiчними реагентами, що потребув спещального технолопчного обладнання; також для забезпечення даного виробничого процесу необхщно мати спещальну систему регенерацп та очищення спч-них вод для нейтралiзацii вiдпрацьованих розчинiв кислот.
Варто зазначити, що патр, отриманий даним способом, буде ввдзначатися низькою м'яюстю та малою пористiстю, що негативно впливатиме на здатшсть до вбирання рвдини, а це в неприпустимим у виготов-леннi паперу для ВСГП. Тому оптимальним ршенням для тдвищення вологомщност паперу для ВСГП в введення до паперово! маси спещальних хiмiчних речовин, яю не знижуватимуть основних споживних властивостей готово! продукцп.
Серед хiмiчних речовин, яю використовують для пiдвищення мщност паперу, найбiльшою ефектившс-тю вщзначаються полiамiдамiнепiхлоргiдриновi смоли, менш ефективними в полiетиленiмiн та катiонний полiакриламiд [22].
Сечовино- та меламiноформальдегiднi смоли в дещо токсичними, адже у !хньому складi в формальде-гщ. СанПiН 42-123-4240-86 нормув кiлькiсть фор-мальдегiду у паперовiй продукцii саштарно-гтвшч-ного призначення (не бiльше 0,1 мг/дм3) [23], тому на сьогодшшнш день переважно для пiдвищення мщнос-тi паперу, у тому чи^ у вологому станi, використовують полiамiднi смоли, модифiкованi епiхлоргiдрином (ПАЕХГ смоли), яю в екологiчно безпечними для контакту з оргашзмом людини. Шд час вибору хiмiч-но! речовини особлива увага мав придшятися вмiсту хлорорганiчних сполук вiдповiдно до сучасних вимог щодо охорони здоров'я та навколишнього середовища.
Зазначимо, що напрямок обраних дослщжень ввд-повiдав вимогам ввропейських стандартiв стосовно створення паперових матерiалiв з комплексом висо-ких бар'врних i захисних властивостей - у даному випадку, вологомщност i мiцностi, зниження маси паперу, створення еколопчнобезпечних i ресурсоо-щадних технологш !хнього виготовлення, а також ефективност повторного використання iхнiх вiдходiв як вторинно! сировини.
3. Цiлi та задачi дослщження
Проведенi дослiдження ставили за мету виго-товити патр для ВСГП з тдвищеною мщшстю у сухому та вологому станах, що дасть можлившть ви-користовувати розроблений патр для виробництва таких виробiв як кухоннi рушники, паперовi сер-
уз
ветки, скатертини, паперов1 протиральш матер1али тощо, осюльки, результатами попередшх дослщжень встановлено низький р1вень якост даноï продукцп за цими показниками [2].
Для досягнення поставленоï мети необхщно вирь шити наступн завдання:
- здшснити виб1р ефективних х1м1чних реагенпв для тдвищення мщност паперу у сухому та вологому станах;
- визначити умови введення х1м1чних реагенив у паперову масу тд час формування паперового полотна;
- встановити ефективний вм1ст х1м1чних реагенпв у композицп паперу.
4. Матерiали та методи дослщження впливу полiамiдно¡ смоли, модифжовано! епiхлоргiдрином, на властивостi паперу для виробiв санiтарно-гiгieнiчного призначення
4. 1. Дослщжуваш матерiали та обладнання, що використовувались в експеримент
Для дослщжень, спрямованих на пiдвищення во-логомщносп паперу для ВСГП, було обрано наступш види катiонноi ПАЕХГ смоли проввдних свiтових ви-робникiв (табл. 1):
Таблиця 1
Порiвняльна характеристика полiамiдноT смоли, модифкованот епiхлоргiдрином, рiзних виробникiв
Найменування показника Найменування продукту, компашiя-вироб-ник, номер зразка
Biores U, NCR Biochemical, 1тал1я Luresin KS, BASF, Нiмеч-чина Kymene 25 X-Cel, Hercules, США Ультрарез 200, ВАТ «ЗКЭ СКИФ», Украша
Зразок 1 Зразок 2 Зразок 3 Зразок 4
Масова частка сухих речовин, % 18,5±1,0 13,5±1,0 24,4±1,0 20,0±1,0
Густина, г/см3 1,2±0,01 1,3±0,01 1,1±0,01 1,06±0,015
Значення рН 2,5-3,5 2,8-3,2 2,5-3,5 2,5-6,0
В'язкють, мПа/с 50-250 80-180 50-250 40-100
За х1м1чною природою обраш зразки смоли - це водш розчини пол1ам1дохлорг1дрина, прозор^ кол1р вщ жовтого до свггло-коричневого.
У виробничих умовах Кшвського картонно-па-перового комбшату було виготовлено зразки паперу, композищя яких мштила катюнт ПАЕХГ смоли, наведен! у табл. 1.
Шдвищення мехашчно! мщноси, яку необхвдно забезпечити паперу для ВСГП, можна досягти практично застосовуючи ви види целюлози. Тому за ви-бору волокнистих натвфабрикапв при виготовленш паперу для ВСГП у першу чергу звертаеться увага на виб1р сировини, яка кр1м того повинна забезпечити необхщну м'яюсть, вбирну здатшсть, бШсть, а також швидке зневоднення волокниста суспензп тд час формування паперового полотна, швидке сушшня та необхщний ступшь його прилягання до поверхш сушильного цилшдра у раз1 отримання крепованих вид1в паперу.
У той же час за вибору волокнистих натвфабри-кат1в слщ обмежити максимальну мщшсть, осюльки висока мщшсть зумовлюе зниження м'якост1 та вбирноï здатность Максимальна мщшсть паперу повинна забез-печувати високу технолопчшсть його на переробному обладнанш з мш1мальною юльюстю дефект1в, а також ввдповщати умовам експлуатацiï вироб1в з нього.
У ходi дослiджень було використано композищю бiленоï сульфатноï целюлози з хвойноï деревини (Бот-нiя, Фiнляндiя) - 40 %, целюлози бiсульфатноï з хвой-ноï деревини - 20 %, бiленоï сульфатноï целюлози з листяноï деревини (Архангельськ, Роая) - 40 %. Ступшь помелу становив 27-32 °ШР.
Введення до паперовоï маси бiленоï листяноï целюлози дозволяе пiдвищити вбирну здатшсть, пухюсть, рiвномiрнiсть структури, а також знизити собiвартiсть паперовоï продукцп. Целюлоза з листяноï деревини, отримана сульфатним методом, яка мае меншу довжи-ну волокон з б^ьшою кiлькiстю судин, е менш мiцною, але надае паперу тдвищену вбирну здатнiсть за контакту з рщиною.
Технолопчний процес виготовлення включав на-ступш етапи: отримання паперовоï маси з використан-ням розмелених вищезазначених видiв волокнистих напiвфабрикатiв, '¿хне змiшування за вщповщного спiввiдношення, введення смоли, вщливання вiдомим способом з отриманоï сумiшi полотна паперу з масою плошд 32 г/м2 .
Дозування смоли вщбувалося пiсля розмелюван-ня целюлозного волокна, причому перед введенням у паперову масу ïï розбавляли водою. Дотримано значень показниюв рН паперовоï маси на рiвнi 4-10. Витрати речовини, необхiдноï для одержання паперу з вщповщною мiцнiстю у вологому сташ, визначаються рiвнем бажаноï мщноси, яку слiд досягти, та технолопчним режимом паперового виробництва. Хiмiчнi реагенти, тобто ПАЕХГ смоли, вводили до паперовоï маси у юлькосп 0,2 % вщ абсолютно сухого волокна (а.с.в.).
Ефект вологомщносп досягаеться у ходi наступноï полiконденсацiï смоли на волокнистому натвфабри-катi в процесi сушiння та збер^ання паперу. Кiнцеве значення вологомщност за звичайних умов виробництва встановлюеться через 10-12 дшв тсля виготовлення та надходження продукцп на склад.
З метою вибору хiмiчних реагенпв для надання паперу вологомщност було проведено дослiдження зразюв паперу масою 1 м2 32 г, виготовлених з ви-користанням катюнних ПАЕХГ смол рiзних марок i виробниюв. Зразок 1 було виготовлено з використан-ням смоли Biores U; зразок 2 - з використанням смоли Luresin KS; зразок 3 - з використанням смоли Kyme-ne 25 X-Cel; зразок 4 - з використанням смоли Уль-трарез 200. Для порiвняння було обрано папiр-аналог (зразок 5), виготовлений без використання смоли.
У ходi дослiджень з визначення оптимальних кон-центрацiй полiамiдноï смоли, модифжовашл етхлор-гiдрином, у лабораторних умовах було виготовлено зразки паперу, що вiдрiзнялися вмштом смоли Kyme-ne 25 X-Cel у композицп. Композищя паперу була як i в попередшх дослщженнях.
Запропонований спосiб не потребуе додаткового обладнання i може бути реалiзованим на традицшно-му обладнанш для виготовлення паперу.
Зважаючи на попередн дослiдження науковцiв, що вивчали способи пiдвищення мiцностi паперу в сухому та вологому станах, введення до композицп паперу ПАЕХГ смоли у юлькост б^ьш шж 1 % вiд а.с.в. не е ефективним та може призводити до склад-нощiв пiд час формування паперового полотна [21], тому зразки i3 вмктом смоли б^ьше 1 % вiд а.с.в. ми не виготовляли.
Дослщження проводились за наступними зраз-ками: зразок 1 - виготовлений з застосуванням смоли Kymene 25 X-Cel у кiлькостi 0,2 % вщ а.с.в.; зразок 2 - вмкт смоли складав 0,4 % вщ а.с.в.; зразок 3 -вмшт смоли складав 0,6 % вщ а.с.в.; зразок 4 - вмкт смоли складав 0,8 % вщ а.с.в.
Для порiвняння було виготовлено папiр, що не мктив полiамiдноi смоли, модифжовано! етхлоргщ-рином - обрано за аналог (зразок 5).
4. 2. Методика визначення показниюв властивос-тей зразюв паперу
Оцiнку впливу ПАЕХГ смоли на пщвищення мщ-носп паперу у сухому та вологому стан здшснюва-ли за результатами аналiзу показникiв споживних властивостей отриманих зразюв. У дослiдних зразках визначали масу паперу площею 1 м2, ступiнь крепу-вання, вологомiцнiсть, руйшвне зусилля в машинному та поперечному напрямах згщно з нормативною стан-дартизованою документацiею, що прийнята в целю-лозно-паперовiй промисловостi. Також контролювали ступiнь утримання целюлозного волокна на сищ папе-роробноi машини.
Вщбирання проб для проведення дослiджень про-водилося згiдно з ДСТУ EN ISO 186:2008 [24], сутшсть якого полягае в дов^ьному вiдбираннi паперу для оброблення, з якого нарiзали випробш зразки для дослiджень.
Шдготовка зразкiв для випробування проводилася згщно з вимогами ГОСТ 13523-78 [25].
Визначення маси 1 м2 паперу проводилося згщно з ДСТУ 2297-93 [26]. Метод заснова-ний на зважуванш iз заданою точш-стю зразкiв паперу визначеноi площi iз наступним перерахуванням результату для площi 1 м2.
Показники руйшвного зусилля до-слiджуваних зразюв паперу для ВСГП визначалися в сухому та зволоженому станах у машинному та поперечному напрямах згщно з ДСТУ 2334-94 [27] та ДСТУ ISO 3781:2005 [28]. Сутшсть методу полягае у визначенш сили, що призводить до руйнування зразка тд час навантажування з постшною швид-юстю на розривнiй машиш. Результати для машинного i поперечного напрямiв визначають окремо. Руйнiвне зусилля тд час розтягування вира-жаеться середшм арифметичним значенням результа-пв десяти вимiрювань.
Визначення мiцностi тд час розтягування зволо-женого паперу проводили тсля занурення випробного зразка у воду методом «петля - розпрямлення - розтягування» протягом визначеного часу.
Мщшсть тд час розтягування (S) розраховують за формулою:
S=P/W, (1)
де W - ширина випробного зразка, мм; Р - руйшвне зусилля, Н.
Сутшсть методiв визначення вологомщност па-перу за коротко- та довготривалого намокання (в за-лежносп вщ його призначення та умов застосування) полягае у визначенш мехашчшл мщност паперу у вологому сташ тсля занурення у воду протягом визначеного часу. Вологомщшсть (В) виражають середшм арифметичним отриманих результапв руйшвного зусилля вологих зразюв в Н (кгс) або розраховують у вщсотках за формулою:
B=(Po / Рс) х 100, (2)
де Ро - середне арифметичне десяти вимiрювань руйшвного зусилля вологих зразюв, Н (кгс); Рс - середне арифметичне десяти вимiрювань руйшвного зусилля повиряно-сухих зразюв, Н (кгс). Резуль-тати округлюють до першого десятинного знаку. Ощнку вологомщност паперу проводять як в машинному, так i в поперечному напрямах, виражають у вщсотках [18, 20].
Аналопчно описанш методищ визначали ступшь крепування, що характеризуемся вiдношенням ме-ханiчноi мщност крепованого паперу до механiчноi мщност некрепованого паперу. Даний показник виражають у вщсотках.
5. Результати дослщжень показникiв властивостей зразкiв паперу
Результати дослщжень властивостей паперу для ВСГП, виготовленого з використанням ПАЕХГ смоли, наведен в табл. 2. Також необхщно було визначити витрати використаних хiмiчних речовин, необхщних для виготовлення 1 т. продукцп.
Таблиця 2
Як видно з отриманих результаив дослщження зразкiв (табл. 2), найкращд показники споживних властивостей паперу забезпечуе використання смоли Кутепе 25 Х-Се1 (зразок 3). Використання дано1 смоли забезпечуе отриманому паперу зростання по-казника вологомiцностi на 6,5 %, що у п'ять разiв бiльше порiвняно з аналогом i е найвищим серед дослiджуваних зразюв. Слщ зазначити, що ця смола забезпечуе найвищий стутнь утримання волокна, який складае 75,2 %. Мщшсть отриманого паперу у
Результати випробування дослщжуваних зразюв паперу
Доотдн! зразки Витрати на 1 т продукцп, кг Волого- мщнють, % Ступшь утримання волокна, % Ступшь крепування, % Pуйшiвше зусилля у сухому стан1, Н
у машинному напрям! у поперечному напрям1
Зразок 1 2,3 7,5 73,3 10,4 3,7 1,8
Зразок 2 2,7 7,2 70,2 10,0 3,5 1,7
Зразок 3 2,0 8,0 75,2 12,2 4,1 2,0
Зразок 4 2,7 6,0 68,7 10,6 3,3 1,6
Зразок 5 (аналог) - 1,5 46,3 10,1 3,0 1,4
сухому сташ також значно шдвищилася: у порiвнян-нi з папером-аналогом - на 36 % у машинному напря-мi та на 42 % у поперечному напрямь Використання смоли Kymene 25 X-Cel забезпечуе необхщш умови для крепування паперу, даний показник не повинен бути менше 10 %.
Варто зазначити, що досить висок значення показ-никiв споживних властивостей паперу було досягнуто також за використання у виробництвi смоли Biores U (виробник NCR Biochemical, Iталiя). Що стосуеться витрат хiмiчних реагентiв, то б^ьшою економiчнi-стю вiдзначаеться смола Kymene 25 X-Cel (виробник Hercules, США), витрати яко'1 у виробництвi 1 т паперу складають 2 кг, що виявилися найнижчими серед до-слiджуваних зразюв смоли.
Таким чином, результати виконаних дослщжень вказують на доцiльнiсть використання для виробни-цтва паперу для ВСГП з тдвищеним показником воло-гомiцностi полiамiдоепiхлоргiдриновоi смоли Kymene 25 X-Cel.
У ходi дослiджень, спрямованих на визначення ефективних концентрацш полiамiдноi смоли, модифь кованоi епiхлоргiдрином, Kymene 25 X-Cel було отри-мано результати, що наведеш у табл. 3.
Отримаш результати порiвнювали з нормативним документом Техшчш умови на виробництво паперу для виробiв саштарно-гтешчного призначення з целюлози марки СГ [29], розробленим Кшвським картонно-паперовим комбiнатом (Украiна), який спе-цiалiзуеться на виробництвi паперу для ВСГП.
Таблиця 3
Результати випробування зразюв паперу за pi3HOÏ витрати смоли Kymene 25 X-Cel
Дослщш зразки Значення показнигав властивостей паперу
Маса 1 м2, г Стутнь крепування, % Волого- мiцнiсть, % Руйшвне зусилля, Н
у машинному напрямi у поперечному напрямi
Зразок 1 30,6 10,0 7,5 3,0 1,8
Зразок 2 32,1 10,2 8,2 3,0 1,8
Зразок 3 32,0 9,5 9,3 3,3 1,9
Зразок 4 31,6 10,3 9,6 3,8 2,0
Зразок 5 (аналог) 31,8 10,0 2,5 2,8 1,6
Норми згщно ТУУ [26] 29,0±3 Не менше 5 Не менше 9* Не менше 2,8 Не менше 1,8
ПримШка: * - для паперу, що мктить вологомщт речовини
Аналiзуючи отримаш даш, слвд зазначити, що най-вищого показника вологомiцностi паперу 9,6 % було досягнуто за вмшту у паперовш масi 0,8 % ввд а.с.в. смоли Кутепе 25 Х-Се1, що характерно для зразка 4. Дана композищя також забезпечила зростання руй-нiвного зусилля паперу у сухому стань У порiвняннi з аналогом показник вологомщноси зрiс на 7,1 % у натуральному вираженш, що майже у 4 рази переви-щуе аналогiчний показник паперу, виготовленого без використання смоли. Варто вщмггити також i зростання мехашчно! мiцностi паперу у сухому сташ: на 36 %
зросло руйшвне зусилля у машинному напрямi та на 25 % - у поперечному напрямь
Зразок 3 iз вмктом смоли 0,6 % також мае досить висок значення вологомщност паперу: порiвняно з папером-аналогом значення вологомщност зросло на 6,8 % у натуральному вираженш, значно тдвищилися i показники мiцностi паперу у сухому станi - на 18 % у машинному напрямi та на 19 % у поперечному напрямь Дослщжуваш зразки 1 та 2 також характеризуються зростанням показника вологомщност та мехашчно! мщност паперу у сухому станi.
6. Обговорення результаив дослщження впливу полiамiдних смол, модифiкованих епiхлоргiдрином, на пщвищення показникiв споживних властивостей паперу
Таким чином, за результатами проведених досль джень встановлено, що найефектившшою з ПАЕХГ смол, як було використано для виробництва зразкв паперу з тдвищеною вологомiцнiстю, виявилася ка-тюнна смола Kymene 25 X-Cel (виробництва Hercules, США). Також дана смола вщзначалася найменшими витратами: 2 кг на 1 т продукцп. Подальшими до-слiдженнями було визначено витрати смоли Kymene 25 X-Cel у композицп паперу: 0,6-0,8 % вщ а.с.в., забезпечуючи при цьому найвишд показники воло-гомiцностi паперу - 9,3-9,6 %. Зазначена смола, як показали результати виконаних дослщжень, позитивно впливае на зростання й шших показникв споживних властивостей паперу - показник механiчноï мщностк на 18-36 % зросло руйшвне зусилля у машинному напрямi та на 19-25 % у поперечному на-прямь Використання смоли за масовоï частки б^ь-шоï 1 % вщ а.с.в. е економiчно недоцiльним, оскiльки для санiтарно-гiгiенiчних виробiв оптимальною е вологомiцнiсть на рiвнi 9 %, що забезпечуе збережен-ня функцiональних властивостей. Також шдвище-ний вмiст смоли (бiльше 1 %) зумовлюе трудношi у технолопчному процесi виробництва паперу, викли-каш надмiрним прилипанням паперу до сушильного цилшдру, що призводить до виникнення небажаних дефекив.
Отриманi результати дослщжень дають змогу об-Грунтувати факти шдвищення механiчноï мiцностi паперу для ВСГП у сухому та вологому станах, серед яких основними е дослщження впливу волокнистоï композицп паперовоï маси на фiзико-механiчнi вла-стивостi паперу, а також на таю показники як вбирну здатшсть i м'якiсть. Крашi показники щодо мехашч-ноï мiцностi, в тому числi вологомiцностi та рiвно-мiрноï поруватоï структури досягнуто за волокнистоï композицiï бiленоï сульфатноï целюлози з хвойноï деревини - 40 %, целюлози бiсульфатноï з хвойноï деревини - 20 %, бiленоï сульфатноï целюлози з лис-тяноï деревини - 40 %, розмелених до ступеня помелу 27-32 °ШР. Саме така композищя сприяе забезпе-ченню найбiльшоï кiлькостi точок та площд контакту довгих i коротких волокон i виникнення водневих зв'язкiв та сил поверхневого зчеплення мiж ними. У такш композицiï бiльш довгi за розмiрами волокна хвойноï целюлози разом з короткими волокнами листяшл целюлози найкращим чином, шд впливом
змщнюючо'! хiмiчноi речовини, сприяють досягнен-ню рiвномiрнопоруватоi структури, яка забезпечуе необхщний рiвень мiцностi паперу. Як хiмiчну речо-вину використано катiонну ПАЕХГ смолу, для оса-дження i закрiплення якоi на целюлозних волокнах не потрiбне додаткове обладнання, а и ефективна дiя здiйснюеться в слабколужному або нейтральному середовищь Залежно вщ витрат смоли можна регулювати та прогнозувати вологомщшсть паперу. Крiм того, введення ПАЕХГ смоли до складу паперу, з одного боку пщвищуе його гщрофшьт властивост завдяки наявноси гiдрофiльних центрiв ^Н i СО групи), що здатш сорбувати вологу, а з шшого - пе-решкоджае сорбцii води целюлозними волокнами за рахунок зменшення розмiрiв пор та капiлярiв. За малих витрат (до 0,8 %) смола сприяе головним чином утворенню мiжволоконних зв'язюв у розробленiй нами композицп: не перешкоджае доступу води до гщроф^ьних центрiв целюлози, що е важливим фактором, який забезпечить експлуатацшш властивост виробiв саштарно-гтешчного призначення та техно-логiчнiсть перероблення паперу.
Дослщження в напрямку удосконалення запро-понованоi технологii та вибору шших хiмiчних речо-вин, реагенив i композицii для рiзного асортименту виробiв санiтарно-гiгiенiчного призначення будуть продовжеш.
7. Висновки
У результатi проведених дослщжень розроблена волокниста композищя на основi бiленоï сульфатноï целюлози з хвойноï деревини - 40 %, целюлози бкуль-фатноï з хвойноï деревини - 20 %, бiленоï сульфатноï целюлози з листяноï деревини - 40 %, розмелених до ступеня помелу 27-32 °ШР.
Дослщжено та доведено ефективнiсть використання еколопчно безпечноï ПАЕХГ смоли Kymene 25 X-Cel для пiдвищення механiчноï мщносп паперу у сухому та вологому станах. Встановлено, що смолу дощльно вво-дити до паперовоï маси тсля розмелювання целюлозних волокон та розбавляти водою перед введенням. За таких умов досягаеться найвища ефектившсть дп смоли.
Встановлено, що ефективним вмктом смоли у композицп паперу е 0,6-0,8 % вщ а.с.в., за якого досягнуто необхщного рiвня вологомiцностi паперу для ВСГП для розробленоï волокнистоï композицп: 9,3-9,6 %, що забезпечуе основы експлуатацшш властивосп готових виробiв.
Результати проведених дослщжень можуть бути використаш у виробництвi паперовоï продукцп са-нiтарно-гiгiенiчного призначення з пiдвищеними по-казниками вологомiцностi та мiцностi у сухому сташ (наприклад, кухонш рушники, серветки, протиральш матерiали, скатертини) на традицшному папероробному обладнаннi, що не потребуе додаткового устаткування.
Лиература
1. Статистичн1 дан1 щодо виробшицтва паперово!' продукцп в УкраМ [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://ukrstat. org/uk/druk/publicat/kat_u/publ1_u.htm
2. Андр1евська, Л. В. Оцшка якост паперово1 продукцп сашiтаршо-гiгiешiчшого призначення [Текст] / Л. В. Андр1евська, Т. Г. Глушкова, С. Ф. Пилипенко // Товари i ринки. - 2012. - № 1. - С. 164-170.
3. Фролов, М. В. Структурная механика бумаги [Текст] / М. В. Фролов. - М.: Лесная промышленность, 1982. - 272 с.
4. Lorentzen, S. W. Paper testing and process optimization [Text] / S. W. Lorentzen. - L S W Handbook, 2000. - P. 72-75.
5. Glushkova, T. The formation of paper quality and safety [Text] / T. Glushkova, L. Andrievska, S. Barabash // Fasing the challenges of the future: excellence in business and commodity science: 17th IGWT Symposium, 2010 International conference on commerce. - Bucharest, Romania: Academy of economic studies, 2010. - P. 936-941.
6. Фролов, М. В. Бактерицидная бумага санитарно-гигиенического назначения [Текст] / М. В. Фролов, Н. Ю. Бондаренко, М. Г. Диклер, Г. П. Сивкин // Бумажная промышленность. - 1973. - № 10. - 13 с.
7. Method for making rolls of tissue sheets having improved properties [Text]: pat. 7166189 US, D21F 11/00. / Alan M., Joseph E., Curtis K. - Kimberly-Clark Worldwide, Inc; № 11/274,105; Application Date 2005-11-14; Publication Date 2007-01-23.
8. Sun, S. Synergistic effects of chitosan-guanidine complexes on enhancing antimicrobial activity and wet-strength of paper [Text] / S. Sun, Q. An, X. Li, L. Qian, B. He, H. Xiao // Bioresource Technology. - 2010. - Vol. 101, Issue 14. - P. 5693-5700. doi: 10.1016/ j.biortech.2010.02.046
9. Попов, С. П. Взаимодействие целюлозы и целюлозних материалов с водой [Текст] / С. П. Попов, С. З. Файнберг. - М.: Химия, 1976. - 192 с.
10. Фролов, М. В. Производство санитарно-бытовых видов бумаги [Текст] / М. В. Фролов, В. А. Горбушин. - М.: Лесная промышленность, 1977. - 248 с.
11. Барбаш, В. А. Влагостойкость и жиронепроницаемость бумаги и картона [Текст] / В. А. Барбаш, Т. В. Гончаренко // Упаковка. - 2004. - № 6. - С. 17-19.
12. Pratima, B. Pulp and Paper Chemicals. Chapter 3 [Text] / B. Pratima. - Pulp and Paper Industry: Chemicals, 2015. - P. 25-273.
13. Awada, H. High strength paper production based on esterification of thermomechanical pulp fibers in the presence of poly(vinyl alcohol) [Text] / H. Awada, M. Bouatmane, C. Daneault // Heliyon. - 2015. - Vol. 1, Issue 3. - P. e00038. doi: 10.1016/ j.heliyon.2015.e00038
14. Tissue products having a high degree of cross machine direction stretch. Pat. 20130068867 A1 US, D21H11/00 [Text] / Hermans M. A., Nelson S. A., Sachs M. W. - № W02013041988A2; Application Date 2011-09-21; Publication Date 2013-03-21.
15. Method and produkts for sizing paper and similar matеrials. Pat. 4857149 USA, МКИ Д 21 H 3/08 [Text] / Tiedeman G. T., Gess Je. M. - Publication Date 1989-08-15.
16. Sizing composition and sizing method. Pat. 5013775 USA, МКИ C 08 K 5/15 [Text] / Hideo O., Kiyoshi O. M. Y., Maybemi N. -Publication Date 1991-05-07.
17. Schall, N. New developments in sizing agents for surface applications [Text] / N. Schall, V. Riеbeting // World Pulp and Paper Technology. - 1995. - Vol. 6. - P. 139-145.
18. Коптюх, Л. А. Матер1али на основi паперу i картону для пакувального виробництва та полшрафй [Текст] / Л. А. Коптюх. - К.: Ушверситет «Украша», 2013. - 370 с.
19. Фляте, Д. М. Свойства бумаги [Текст] / Д. М. Фляте. - М.: Лесная промышленность, 1970. - 456 с.
20. Пилипенко, С. Влагопрочность бумаги и методы ее оценки [Текст] / С. Пилипенко // Бумага и жизнь. - 2006. - № 3. -С. 15-17.
21. Пашр для пакування виробiв з високим вмютом вологи. Пат. 10696 Украша, МПК D21H27/10 [Текст] / Коптюх Л. А., Вай-сман Л. М., Лозовик М. Т., Мосшчук М. Г., Кус М. М. - заявник i патентовласник Укра'шський державний науково-дослщ-ний шститут целюлозно-паперово'1 промисловоси; Фiрма «Беркш трейдшг ЛТД». - № 94076040; заявл. 04.07.1994; опубл. 25.12.1996, Бюл. № 4. - 4 с.
22. Creping adhesives containing polyvinyl alcohol and cationic polyamide resins. Pat. 4501640 US, D21H17/36 [Text] / Soe-rens D. A. - Kimberly-Clark Corporation; Application Date 1983-10-18; Publication Date 1985-02-26.
23. СанПиН 42-123-4240-86. Допустимые количества миграции (ДМК) химических веществ, выделяющихся из полимерных и других материалов, контактирующих с пищевыми продуктами и методы их определения. Введ. 1986-12-31 [Текст]. - М.: Министерство здравоохранения СССР, 1986. - 10 с.
24. ДСТУ EN ISO 186:2008 (EN ISO 186:2002, IDT). Пашр i картон. Метод вщбирання проб для визначення середньо'1 якость Чинний вщ 2010-01-01 [Текст]. - К.: Держспоживстандарт Украши, 2010. - 18 с.
25. ГОСТ 13523-78. Полуфабрикаты волокнистые, бумага и картон. Метод кондиционирования образцов. Введ. 1980-01-01 [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1992. - 8 с.
26. ДСТУ 2297-93. Натвфабрикати волокнист^ пашр та картон. Метод визначення маси продукцй площею 1 м2. Чинний вщ 1996-01-01 [Текст]. - К.: Держспоживстандарт Украши, 1996. - 19 с.
27. ДСТУ 2334-94 (ГОСТ ИСО 1924/1-96). Пашр та картон. Визначення мщност шд час розтягування. Частина 1. Метод навантажування з постшною швидкютю. Чинний вщ 1998-01-01 [Текст]. - К.: Держспоживстандарт Украши, 1997. - 10 с.
28. ДСТУ ISO 3781:2005 (ISO 3781:1983, IDT). Пашр i картон. Визначення мщност тд час розтягування шсля занурення у воду. Чинний вщ 2006-07-01 [Текст]. - К.: Держспоживстандарт Украши, 2006. - 12 с.
29. ТУ У 17.1-05509659-033:2013. Техшчш умови на виробництво паперу для виробiв саштарно-гтешчного призначення з целюлози марки СГ [Текст]. - Обухiв: Кшвський картонно-паперовий комбшат, 2013. - 15 с.
