CC BY
112
Химия растительного сырья. 2012. №1. С. 187-190.
УДК 676.2.038.2
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА БУМАГИ ИЗ МАКУЛАТУРЫ ХИМИЧЕСКИМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ
© А.А. Остапенко1, В.Н. Мороз2, В.А. Барбаш3, С.Ю. Кожевников4, В.К. Дубовый5, И.Н. Ковернинский6
1 Институт бумаги, ул. Кутузова, 18/7, Киев, 01133 (Украина), e-mail: alya20072007@ukr.net
2Украинская ассоциация производителей гофрокартона, ул. Кутузова, 18/7,
Киев, 01133 (Украина), e-mail: uacbm@nbi.com.ua 3Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», пр. Победы, 37, Киев, 03056 (Украина), e-mail: v.barbash@kpi.ua
4000 «СКИФ Спешиал Кемикалз», Восточная промзона, 7, Дзержинск, Нижегородская обл., 606000 (Россия), e-mail: skif@skif.us 5Санкт-Петербургский государственный университет растительных полимеров, ул. Ивана Черных, 4, Санкт-Петербург, 198095 (Россия), e-mail: dubovy2004@mail.ru
6НП «Научно-промышленная компания ".Бумага и картон"», Озерковская наб.,
24, Москва, 115184 (Россия), e-mail: kovern@list.ru
Введение
В настоящее время имеет место устойчиввый рост объемов макулатуры в общем балансе потребления волокнистых полуфабрикатов для производства картонно-бумажной продукции [1]. Для повышения качества бумаги и картона большинство предприятий отрасли используют крахмалы и их модификации [2]. Частичная потеря эластичности и пластичности волокон, их ороговение в процессе сушки приводит к уменьшению удельной поверхности волокна, сопровождается частичной потерей способности волокон к образованию водородных связей [3], уменьшение которых снижает удержание крахмала на макулатурном волокне. При многократном использовании макулатуры крахмал, входящий в ее состав, выступает в качестве внутреннего загрязнения, которое физически и химически связано с поверхностью бумаги и картона. Проблемы создает та часть крахмала, которая в результате механического воздействия в процессах разво-локнения, сортирования и размола переходит в оборотную воду и накапливается в ней.
Развивающаяся на бумажных фабриках тенденция сокращения объема сточных вод требует повышения замкнутости водооборота. В этих условиях солесодержание в оборотной воде возрастает, количество растворенного в ней катионного крахмала уменьшается, что приводит к снижению эффективности действия крахмала на показатели качества продукции [4]. Катионный крахмал в загрязненных системах работает недостаточно эффективно в силу того, что его сравнительно слабый катионный заряд подавляется растворенными солями и анионными загрязненными. Кроме того, потеря его в оборотную воду составляет от 15 до 50% в зависимости от вида крахмала, что способствует развитию микроорганизмов в стоках трубопровода [5].
Повышение эффективности добавки катионного крахмала возможно за счет улучшения адсорбции крахмала на волокнах путем повышения анионного заряда поверхности волокна, введения в волокнистую массу ХВВ и антимикробных веществ (биоцидов).
К группе ХВВ относятся амфотерные полимерные смолы (АПС), обладающие высокой способностью удержания на волокне. Одним из производителей таких химикатов является фирма ООО «СКИФ Спешиал Кемикалз» (Россия). Структурная формула АПС - Ультрарез DS-150, представлена на рисунке 1.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Рис. 1. Структурная формула Ульрарез DS -150
АПС - сравнительно новый класс химикатов, которые в мировой практике начали широко применяться при производстве бумаги и картона [6], Имея полифункциональный характер, макромолекулы АПС за счет высокого катионного заряда проявляют более эффективное действие в сильно загрязненных средах при производстве картонно-бумажной продукции с использованием вторичного волокна.
Цель данной работы - определение оптимальных технологических параметров применения ХВВ для повышения показателей качества картонно-бумажной продукции из макулатуры разных марок.
Экспериментальная часть
В качестве волокнистого сырья использовали макулатуру марок МС-5Б [7], которую размалывали до степени помола 43±3° ШР. Исследовали ХВВ, характеристика которых приведена в таблице 1, и нижеперечисленные модифицированные крахмалы с соответсвующими степенями замещения (СП): Perlbond 930 (СП=0,039), Emcat CF/T (СП=0,044), Hicat (СП=0,035) [5],
В таблице 2 представлены результаты влияния ХВВ на показатели качества бумаги, изготовленные из макулатуры марки МС-5Б, Как видно из данных таблицы 2, увеличение расходов смолы Ультрарез DS-150 приводит к увеличению физико-механических показателей лабораторных образцов бумаги. Такое увеличение объясняется тем, что анионные компоненты бумажной массы взаимодействуют с катионными группами молекул АПС Ультрарез DS-150, адсорбируя их на волокнах. Применение АПС Ультрарез 200 с добавлением в волокнистую массу 0,4% повышает показатели механической прочности бумаги, но дальнейшее увеличение расхода этого АПС приводит к уменьшению физико-механических показателей бума -ги.
Лабораторные образцы бумаги изготовляли на листоотливном аппарате Rapid-Kothen (фирма изготовитель «Ernst Haage», Германия) массой 1 м 2 150 г.
В первой серии опытов изучалось влияние АПС и модифицированных крахмалов на изменение показателей качества лабораторных образцов бумаги, изготовленных из макулатуры марки МС-5Б, Результаты исследования представлены на рисунке 2.
На рисунке 2 видно, что прирост физико-механических показателей бумаги особенно заметен при применении АПС по сравнению с другими модифицированными крахмалами известных марок Perlbond 930, Emcat CF/T, Hicat, Прирост абсолютного сопротивления продавливанию при расходе 0,8% Ультрарез DS-150 составил 37%, а разрушающего усилия при сжатии кольца - 39%,
Преимущество АПС по сравнению с традиционными модифицированными крахмалами объясняется более высокой степенью замещения катионными группами от (5 до 20 моль%) и, соответственно, более высокою плотностью заряда, которая примерно в 4-10 раз выше, чем у модифицированных крахмалов. Модифицированные крахмалы имеют меньшую плотность заряда в полимерной цепочке (лишь 1-2% гидроксильных групп крахмала замещены на катионные) [6],
Таблица 1. Химические вспомогательные вещества и их характеристики
Название Характеристика Содержание сухих веществ, % pH при 20 °С
Ультрарез DS-150 Бесцветная вязкая однородная жидкость со звеньями акриламида и катионного мономера 15,0±0,5 4,5
Ультрарез 200 Прозрачная жидкость от желтого до светлокоричневого цвета (полиаминполиамидэпихлордринная смола) 20,0±1,0 4,0
Ультрасайс 200 Эмульсия белая с палевым оттенком (водная эмульсия воска димер алкилкетена (АКД)) 20,0±0,5 3,5
Hydrores SF3 Суспензия молочного цвета (АКД) 30,0±1,0 5,0
Димар Водная анионная эмульсия полиакриламида (АКД) 20,0±1,0 4,0
Таблица 2. Влияние ХВВ на показатели качества лабораторных образцов бумаги, изготовленных из макулатуры марки МС-5Б
ХВВ Расход, % к а.с. волокну Абсолютное сопротивление продавливанию, кПа КЛ о Са^ ^ ЁОЮ Ёою Яи2 -> Удельное сопротивление разрыву, кН/м Разрушающее усилие при сжатии кольца, Н Сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца бумаги, кН4[ Сопротивление плоскостному сжатию гофрированного образца бумаги, Н
Без ХВВ - 391 240 6,1 201 1,7 203
Ультрарез ББ-150 0,4 501 234 7,5 237 2,2 204
Ультрарез ББ-150 0,6 509 230 7,7 245 2,4 271
Ультрарез ББ-150 0,8 534 225 8,4 240 2,3 260
Ультрарез 200 0,4 553 200 8,6 223 2,5 231
Ультрарез 200 0,6 500 193 8,4 222 2,4 229
Ультрарез 200 0,8 489 183 8,0 221 2,2 227
Во второй серии опытов было изучено влияние двухкомпонентной системы химикатов: АПС и крахмалы с АКД: Ультрасайс 200, Димар и Ну^оге8 8Б3 на показатели качества лабораторных образцов бумаги, изготовленных из макулатуры марки МС-5Б. Приведенные расходы АКД обеспечивают показатели впитываемости образцов бумаги согласно требованиям стандарта. Полученные результаты представлены на рисунке 3.
Из рисунка 3 видно, что при добавлении 0,2% Ультрасайс 200 к полимерным смолам прирост показателя абсолютного сопротивления продавливания составил 15-32,2%, а разрушающего усилия при сжатии кольца 24-38%. Анализ результатов обращает внимание на высокие значения прироста показателей при малых (0,2-0,4%) расходах смол Ультрарез 200, Ультрарез Б8-150 и Ультрасайс 200.
Использование 0,6 % Ну(1гоге8 8Б3 и Димара для проклейки макулатурной массы в сочетании с 1,0% модифицированным крахмалом Рег1ЪоМ 930 приводит к снижению показателя абсолютного сопротивление продавливанию на 11,0 и 3% соответственно, а показателя, разрушающего усилие при сжатии кольца, - на 15 и 8%. В то время как введение в массу 0,6%. Ультрасайс 200 практически не снижает величины показателей, достигнутых за счет введения крахмала Рег1ЪоМ 930.
£
I
1
Рис. 2. Изменение показателей качества бумаги: абсолютное сопротивление продавливанию (I), разрушающие усилия при сжатии кольца (II) при использовании разных расходов АПС и модифицированных крахмалов: 1 - контрольный образец; 2 - 0,4% Ультрарез Б8-150; 3 - 0,6% Ультрарез Б8-150; 4 - 0,8% Ультрарез Б8-150;
5 - 0,6% Рег1ЪоМ; 6 - 0,8% Рег1ЪоМ; 7 - 1,0% Рег1ЪоМ; 8 - 1,0% Бмсаг СБТ; 9 - 1,0% Шсаг
Рис. 3. Изменение показателей: абсолютного сопротивление продавливанию (I) и разрушающие усилие при сжатии кольца бумаги (II) при использовании различных расходов ХВВ: 1 - 0,2% Ультрарез 200+0,2% Ультрасайс 200; 2 - 0,4% Ультрарез 200+ 0,2% Ультрасайс 200; 3 - 0,2% Ультрарез Б8-150+0,2% Ультрасайс 200; 4 - 1,0% Рег1ЪоМ 930 +0,6% Ну^оге8 8Б3; 5 - 1,0% Рег1ЪоМ 930 + 0,6%Ультрасайс 200; 6 - 1,0% Рег1ЪоМ 930 + 0,6% Димар
50
40
30
20
0
-10
-20
Введенный в массу Ультрасайс 200 распределяется, адсорбируется и фиксируется комплексами «волокно-крахмал», причем Ультрасайс 200 удерживается волокном и крахмалом. В результате образуется структурированная водноволокнистая масса, состоящая из флокуллированных частиц комплексов «волокно-крахмал». Свободные положительные заряды образующихся комплексов приводят к фиксации их на волокне. Главной реакцией, обусловливающей проклейку АКД Ультрасайз 200, является реакция, приведенная на рисунке 4 [8].
Рис. 4. Механизм реакции АКД с целлюлозными волокнами
Анализ эффективности действия исследованных ХВВ позволяет говорить об их эффективности и подтверждает возможность решать задачи по упрочнению бумаги, изготовленной из макулатуры. При этом прирост показателей качества бумаги при введении модифицированного крахмала составляет 10-12%, а полимерных смол - 27-38%.
К числу новых разработок в этом направлении следует отнести технологии применения комбинированных схем применения химических продуктов на основе АПС Ультрарез 200, Ультрарез DS-150 и АКД Ультрасайс 200, которые отличаются лучшей эффективностью действия при их меньшем расходе.
Упрочнение бумаги с применением АПС и АКД решает важную задачу переработки бумаги на гофроаг-регатах. Особенно это касается бумаги для гофрирования из макулатуры. Именно сочетание прочности и влаго-прочности бумаги обеспечивает сохранение исходных свойств бумаги после гофрирования.
Сравнивая результаты представленных исследований, можно отметить важную закономерность: уровень прироста всех механических показателей бумаги, полученных от применения двухкомпонентной системы химикатов (Ультрарез 200 и Ультрасайз 200), может быть признан соответствующей современным требованиям технологий при производстве бумаги и картона.
Выводы
1. Применение новых ХВВ позволяет уменьшить расход традиционных химикатов, подобрать такое их соотношение, которое увеличивает физико-механические показатели картонно-бумажной продукции.
2. Прирост физико-механических показателей при введении в волокнистую массу ХВВ на основе АПС составил 27-38%, а при введении модифицированных крахмалов только - 20-22%.
3. Применение определенных соотношений Ультрасайз 200 со смолами Ультрарез DS-150 и Ультрарез 200 обеспечивает больший прирост физико-механических показателей, чем применение традиционных АКД с модифицированными крахмалами.
Список литературы
1. Идиатулин А.М. О применении катионного крахмала в производстве бумаги и картона из вторичного волокна // Научные труды 5-й международной конф. Караваево, 2004. С. 58-62.
2. Лапин В.В. Специализированные виды катионного крахмала для бумажного производства // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2000. №11-12. С. 23-25.
3. Мороз В.Н. С крахмалами не шутят // Картон. Гофрокартон. 2004. №3. С. 64-66.
4. Примаков С.Ф., Барбаш В.А. Технологія паперу та картону : навчальний посібник для вузів. Київ, 2008. 423 с.
5. Мороз В.Н., Барбаш В.А., Степанова Т.В. Влияние модифицированных крахмалов на качество бумаги и картона // Упаковка. 2006. №3. С. 36-39.
6. Кожевников С.Ю. Применение отечественных амфотерных полимерных смол для производства бумаги и картона // 10-я юбилейная международная научно-техническая конференция, Караваево, 2009. С. 134-142.
7. ГОСТ 10700-97 Макулатура бумажная и картонная. Технические условия.
8. Janja Z., Dolenc J. Determination of AKD sizing in papermaking systems by gas chromatography // Pulp and paper Institute. 2003. Pp. 115-122.
Поступило в редакцию 11 ноября 2011 г.
