CC BY
123
УДК 676.038.2
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМА ПРОКЛЕЙКИ ТЕСТ-ЛАЙНЕРА ДИМЕРАМИ АЛКИЛКЕТЕНА
© О.И. Блинушова1, Д.А. Дулькин1, И.Н. Ковернинский2
1ООО «Сухонский ЦБК», ул. Советская, 129, Сокол, Вологодская обл., 162135, (Россия) E-mail: [email protected] 2Архангельский государственный технический университет, наб. Северной Двины, 17, Архангельск, 163002 (Россия) E-mail: [email protected]
Статья посвящена теоретическому исследованию механизма проклейки тест-лайнера клеями на основе димера ал-килкетена и развитию представлений об этом процессе.
Установлено, что в механизме проклейки тест-лайнера клеями на основе димера алкил кетена превалирующими процессами является реакция образования Р-кетоэфира и когезионное закрепление димера на гидрофобных поверхностях волокна и в гидрофобных межволоконных контактах.
Механизм гидрофобного взаимодействия в водноволокнистой структуре массы способствует перераспределению гидрофобных и гидрофильных участков поверхности волокна в сторону уменьшения гидрофобности волокна и, как следствие этого, прирастает доля образования Р-кетоэфира.
Качественная проклейка тест-лайнера обеспечивается созданием условий для максимального протекания обоих механизмов - образования Р-кетоэфира и когезионное закрепление димера алкилкетена.
Введение
Для придания тест-лайнеру необходимого уровня гидрофобности в технологический цикл производства включают процесс проклейки в массе. Проклейка основана на введении в водноволокнистую суспензию химических веществ, как правило, в виде коллоидных частиц, обладающих свойством при обезвоживании картонного полотна в сушильной части машины под действием высокой температуры приобретать гидрофобные свойства. Будучи равномерно распределенными в волокнистой структуре листа, гидрофобные частицы обеспечивают требуемый уровень гидрофобности картона.
Темой данной статьи является проклейка тест-лайнера димерами алкилкетена, а точнее, рассмотрение новых аспектов этого процесса. Следует указать, что само применение клея на основе димера алкилкетена (АКД) для придания гидрофобности картонам лайнерам, производимым из вторичного волокна макулатуры (тест-лайнерам), уже новый аспект в технологии. Применение АКД стало новой ступенью в развитии технологии проклейки с начала 70-х гг. прошлого века. Ее основное достоинство состояло в том, что позволяло производить хорошо проклеенную бумагу в нейтральных и щелочных средах (pH 7,8-8,2) [1-2] и получать неоспоримые преимущества в экономии волокнистых и энергетических ресурсов в сравнении с традиционным способом изготовления бумаги в кислой среде (pH 4,2-5,8).
Традиционная «кислая» технология в короткий срок почти повсеместно была вытеснена новой «нейтральной» в производстве высококачественной бумаги и картона из первичного целлюлозного волокна, за исключением бумажно-картонных материалов, содержащих в композиции волокна древесной массы и вторичное волокно из макулатуры. В технологии данных материалов доминирующим проклеивающим средством остались канифольные продукты. К началу XX в. доля производимой бумаги и картона в нейтральной и слабощелочной среде с проклейкой в массе АКД превысила 42%. Такие достоинства новой технологии, как повышение прочности картона, экологические и экономические выгоды, не могли ее не привлечь в область
* Автор, с которым следует вести переписку.
переработки макулатурного сырья. И уже к указанному периоду «нейтральная» технология существенно потеснила также «кислую» проклейку в производстве картонов лайнеров, изготовленных как из первичного, так и из вторичного волокна.
Однако, несмотря на достаточно уверенное развитие и освоение «нейтральной» технологии, теоретические основы гидрофобизации часто не коррелируются с технологическими результатами. А применительно к производству тест-лайнера и другим бумажно-картонным материалам из вторичного волокна, противоречивость теоретических и практических данных еще существеннее, и до настоящего времени она не получила научного объяснения.
Располагая важными, но противоречивыми и разрозненными теоретическими данными в области физико-химических и химических явлений в основных технологических процессах производства бумаги и картона, авторы предприняли попытку их обобщить для объяснения противоречивых фактов в производстве тест-лайнера в нейтральной и слабощелочной среде с проклейкой димерами алкилкетена.
Рассматривая область проклейки бумаги и картона, изначально следует исходить из принципиальных основ технологии этих материалов - отлив листов из водных суспензий древесных волокнистых полуфабрикатов при активной кислотности суспензии, близкой к нейтральной. Уровень кислотности композиции водноволокнистой суспензии (бумажной массы) определяется видом волокнистых полуфабрикатов и характером предусмотренных в технологии химических функциональных средств. В существующих технологиях он не должен выходить за пределы pH 4,8-9,0. Кислотный гидролиз и щелочное разрушение волокна (углеводной части волокна) и интенсивная коррозия оборудования в агрессивных кислых или щелочных средах являются главными ограничительными факторами интервала Рн бумажной массы. Отсюда все химические средства для производства бумаги и картона должны обладать свойствами выполнять свои функциональные назначения в пределах указанного интервала pH. Этим же требованиям должны удовлетворять гидрофобизирующие химические средства и, в частности, димеры алкилкетена.
Центральным объектом исследований является механизм придания «эффекта проклейки» волокнистым целлюлозным материалам клеями на основе димеров алкилкетена в нейтральной и слабощелочной среде. Таким образом, главными взаимодействующими ингредиентами технологии являются волокнистые полуфабрикаты, клеи на основе димеров алкилкетена, иные, преимущественно полимерные, химические функциональные средства, вода и ее активная кислотность (pH). По общепризнанной теории [3-5], перечисленные объекты образуют водноволокнистую суспензию, обладающую коллоидно-химическими свойствами, в которой дисперсной фазой являются волокна и полимерные химические средства, а вода - дисперсионная среда.
Волокнистые полуфабрикаты. Для придания «эффекта проклейки» АКД крайне важен вид волокнистого полуфабриката. Г лавным фактором здесь является первичное или вторичное волокно. Эти виды волокнистых полуфабрикатов очень существенно отличаются по бумагообразующим свойствам, а, следовательно, совершенно по-разному приобретают гидрофобные свойства. Для производства тест-лайнера используется вторичное волокно из макулатурного сырья, в котором преобладают марки макулатуры МС-5Б, МС-6Б [6]. Назовем основные свойства вторичного волокна из макулатуры: высокая полидисперсность волокнистой массы с преобладанием фракций средней и короткой длины волокна (средняя длина волокон примерно в 2 раза короче длины первичных волокон); высокая «кажущаяся» степень помола массы, отличающаяся слабой разработкой внутренней и внешней поверхности; высокая степень ороговелости поверхности волокна; насыщенность поверхности волокна поливариантными химическими и физико-химическими структурами. Перечисленные свойства существенно обедняют поверхность волокна свободными гидроксильными группами, которые по теории проклейки димерами алкилкетена, ответственны за обеспечение проклейки [1, 7-8]. Подтверждением этой теории служит также установленный факт способности к проклейке АКД различных волокнистых полуфабрикатов. По убывающей способности они располагаются в следующий ряд: целлюлоза лиственная, целлюлоза хвойная, целлюлоза сульфатная, целлюлоза нейтрально-сульфитная, термомеханическая древесная масса, другие виды древесной массы. Анализ данного ряда показывает, что худшей способностью к проклейке обладает древесная масса, волокнистый полуфабрикат с самым малым количеством поверхностных гидроксильных групп, а лучшей - целлюлоза, имеющая наибольшее содержание поверхностных гидроксильных групп.
Но рассмотренный ряд характеризует способность к приклейке АКД первичного волокна. С учетом несравнимо меньшего количества поверхностных гидроксильных групп у вторичного волокна получение сопоставимой проклейки его с первичным волокном по механизму химической реакции гидроксилов и димеров маловероятно. Следовательно, существует малоизученный механизм проклейки, в котором димеры ал-килкетена придают гидрофобные свойства картону из вторичного волокна того же уровня, что и завершенная химическая реакция.
Химический состав, структура и свойства димера алкилкетена; клеи на основе димера алкилкетена. Химический состав и структура димеров алкилкетена выражаются формулой (рис. 1) [1], в состав которых, как правило, входят остатки пальмитиновой (Я = С16 ^ 60-40%) и стеариновой (Я1 = С18 ^ 40-80%) кислот. Натуральные продукты - это воски, производимые с различными точками температуры плавления. Температура плавления воска является его основной характеристикой. Воски выпускают со следующими температурами плавления, °С: 45-50 (стандартный - АКД > 85%), 50-55 и >50.
При механохимическом эмульгировании воска в воде, в присутствии стабилизаторов, образуется коллоидная дисперсия со сферической формой частиц дисперсной фазы диаметром 100-2000 нм (0,1-2 мкм). Внешний вид - это прозрачно-чистая легко опалесцирующая водная коллоидная система [7]. Такие продукты с различной концентрацией сухих веществ (17-22%), включающих воск, стабилизаторы и другие химические добавки, являются клеями на основе димеров алкилкетена. В зависимости от химической природы защитного коллоида получают клеи с различной плотностью заряда коллоидных частиц (рис. 2).
Наличие клеев с различной плотностью заряда коллоидных частиц позволяет подбирать клей в зависимости от плотности заряда поверхности волокна и в целом от баланса электрических зарядов бумажной массы.
я—нс=с—си—я1 І I о—с=о
Рис. 1. Димер алкилкетена
I®
®
®
б
а
в
Рис. 2. Виды клея на основе АКД: а - защитный коллоид - крахмал, заряд 1+; б - защитный коллоид крахмал и синтетический полимер, заряд 2+; в - защитный коллоид синтетический полимер, заряд 3+
Механизм проклейки тест-лайнера клеем на основе АКД
Основные стадии механизма проклейки. Принципиальна схема проклейки бумажно-картонных материалов клеями на основе АКД представлена на рисунке 3. Конечно, схема не отражает всего многообразия возможных процессов сложного многостадийного механизма проклейки. Его можно представить несколькими основными стадиями: введение клея в бумажную массу; распределение частиц в водноволокнистой суспензии; удержание частиц в волокнистой массе при отливе и обезвоживании листа; закрепление (фиксирование) АКД частиц клея на поверхности волокна; дестабилизация частиц клея с разрушением коллоидных мицелл; стереоориентация реакционноактивных групп димеров у свободных гидроксильных групп поверхности волокна; химическая реакция димера с гидроксилами волокна с образованием Р-кетоэфира волокна (созревание проклейки); химическая реакция димера с водой (гидролиз димера); химическая реакция кетоэфира с водой (гидролиз Р-кетоэфира - реверсия проклейки). Все названные стадии имеют многофакторную зависимость от условий их осуществления и только сочетание максимально положительного влияния факторов на всех стадиях общего процесса может гарантировать требуемый эффект проклейки картона.
Основные химические реакции процесса проклейки. Так, теоретически гидрофобными свойствами обладают только комплексы «волокно-димер», при осуществлении и завершении химической реакции между гидроксильными группами волокна и лактоновой группой димера алкилкетена [1, 7-8]. При этом в реакционной зоне должны быть созданы условия для протекания акта химического взаимодействия. Реакция возможна при наличии в реакционной зоне определенной концентрации димеров алкилкетена, свободных гидроксильных групп на поверхности волокна, pH среды 7,0-8,5, высокой температуры (не ниже 110 °С). При соблюдении данных условий лактоновое кольцо открывается, происходит перегруппировка связей и атомов водорода с присоединением кетена к волокну через сложноэфирную химическую связь (рис. 4).
Рис. 3. Схема процесса проклейки бумаги и картона клеями на основе АКД.
я—нс=с—ш—я + и—о—Се11--------------► я—нсн—с—си—я1
II II I
о-с=о о с=о
I
о—се11
димер алкилкетена Комплекс "волокно-димер"
Рис. 4. Реакция димера алкилкетена с поверхностными гидроксилами волокна
Относительно значимости данной реакции в общем процессе проклейки, впрочем, как в целом о механизме придания гидрофобных свойств бумаге и картону димерами алкилкетена, до настоящего времени нет единого мнения. Большинство исследователей доказывают, что главной реакцией, обусловливающей проклейку, является реакция (рис. 4) [1, 7-8]. По данным работы [8], только около 0,3% АКД в волокне обнаруживается в виде кетоэфира (зафиксированная часть АКД), но эффект проклейки от нее в 2-3 раза выше, чем от не прореагировавшей (свободная часть АКД), удерживаемой волокном (рис. 5). Прямо противоположное мнение доказывается в работе [9]. Согласно этой теории лишь небольшая часть димера образует с целлюлозой Р-кетоэфиры, и эта реакция рассматривается как побочная. А основная масса активной формы димера связывается с целлюлозой слабыми связями, которые разрываются при нагреве в сушильной части, а высвобождающаяся часть димера концентрируется на поверхности, мигрирует в волокно и придает гидрофобные свойства. По мнению авторов, потенциальным гидрофобным эффектом обладают также продукты гидролиза димеров алкилкетена Р-кислоты. Именно они образуют прочную связь с целлюлозой и создают эффект проклейки.
Если проанализировать баланс форм АКД, определяемых в бумажно-картонных материалах и подсеточ-ной воде, то их примерное распределение следующее: в прочносвязанной форме Р-кетоэфира (зафиксированный) 22-25%; в не прореагировавшей форме (свободный) 10-12%; в гидролизованной форме (кетон) 1518%; не удержанный в массе при обезвоживании в мокрой части машины 40-45%. Учитывая теорию проклейки р-кетоэфирами и данное распределение форм АКД, проклейка обеспечивается примерно 25% израсходованного клея. По другим данным, нормальным процессом проклейки признается тот, при котором примерно 50-60% АКД из 80-90% удержанного в массе, реагирует с образованием р-кетоэфиров, а 50-40% остается в непрореагировавшей форме и усиливает проклеивающий эффект прореагировавшей формы. И не нормальным процессом признается тот, при котором Р-кетоэфиры составляют около 20%, а остальное - не прореагировавшая форма АКД.
я—нс—с—сн—я + н2о-------► я—нсн—с—сн—я1------► я-сн2-с—сн-я1 + со2
о с-о 11 1 \\
о—с~о о с=о о
он
димер алкилкетена кетокислота
Рис. 5. Реакция гидролиза димера алкилкетена
Укажем, что приведенные данные по распределению АКД относятся к производству бумажно-картонных материалов из первичного целлюлозного волокна. О распределении АКД в картоне из вторичного волокна сведений в литературе нет. Но, имея данные для материалов из первичного волокна и учитывая вышеуказанные свойства вторичного волокна, можно с высокой долей достоверности говорить о еще значительно меньшей доли АКД, участвующей в химической реакции со вторичным волокном по схеме (рис. 4). Эта доля может находиться в пределах 10-15%. Тогда доля АКД, удерживаемая волокном в химически не связанной форме, будет составлять примерно 50-60%. Очевидно, эти формы обеспечивают эффект высокой проклейки. Однако при таком распределении АКД в волокнистой массе уровень проклейки создается аддитивно двумя механизмами - химической реакцией и физико-химическим процессом гидрофобизации.
Как было указано выше, по одной теории [8] гидролиз димера алкилкетена (рис. 5), является крайне нежелательной реакцией в механизме проклейки, а по другой [9] - образуемая р-кетокислота - потенциальный источник придания проклейки.
С этим можно согласиться, если остановить реакцию на промежуточном продукте - Р-кетокислоте. Но она неустойчива и легко декарбоксилируется с образованием СО2 и практически инертного кетона. Протекание данной реакции до конечных продуктов оказывает отрицательное влияние на производство бумаги и картона. Во-первых, нерационально расходуется АКД, во-вторых, гидролиз и разрушение эмульсии может вызвать проблему отложений воска на оборудовании, а, в-третьих, образующийся газ способствует пенооб-разованию (особенно в интервале pH > 7,5) и разрыхлению структуры бумаги и картона.
Кроме реакции гидролиза димеров алкилкетена, которая в разной степени развития проходит во всех стадиях технологии после введения АКД в бумажную массу, реакция гидролиза Р-кетоэфира может развиться после его образования в полотне и продолжается в готовой бумажно-картонной продукции, вызывая снижение (реверсию) проклейки.
Рассматривая процесс проклейки бумажно-картонных материалов клеями на основе АКД, важно учесть, что димеры активно вступают в реакцию с другими гидроксилсодержащими химическими веществами, находящимися в водно-волокнистой суспензии бумажной массы и, прежде всего, с крахмалами, применяемым во всех технологиях картона. Реакция протекает по схеме (рис. 6), аналогично реакции (рис. 4).
В производстве картона тест-лайнера применяются катионактивные формы крахмалов с разной степенью катионирования. Естественно, при одновременном наличии в водноволокнистой суспензии свободного крахмала и димеров алкилкетена, можно ожидать развития реакций по двум конкурирующим направлениям - образования комплексов «волокно-димер» и «крахмал-димер». В более полном варианте уровень проклейки всегда определяется результирующим эффектом всех рассмотренных реакций, которые являются конкурирующими, развиваются и завершаются в зависимости от влияющих факторов.
я—нс=с—ОТ—я1 + н—о—КгаеЬ-► я—нсн—с—сн—я1
II II I
о—с=о о с=о
I
о— КгаеЬ
димер алкилкетена Комплекс "крахмал-димер"
Рис. 6. Схема реакции димеров алкилкетена с крахмалом
Новые аспекты в механизме проклейки тест-лайнера клеями на основе димера алкилкетена. Основу процесса проклейки составляют поверхностные явления. После введения клея в массу и равномерного распределения частиц в водноволокнистой системе, частицы клея удерживаются в массе, закрепляются (фиксируются) на поверхности волокна. Эти явления протекают при отливе и обезвоживании листа в мокрой части картоноделательной машины. Удержание частиц клея и их фиксирование на волокне находится в области физико-химических процессов адсорбции и электростатического взаимодействия. Водноволокнистая суспензия бумажной массы относится к коллоидно-химическим системам с отрицательным зарядом поверхности, обусловленным образованием двойного электрического слоя (ДЭС) [7]. Величина заряда поверхности волокна определяется преимущественно видом волокнистых полуфабрикатов композиции массы, а управление величиной заряда возможно только в технологическом потоке уровнем активной кислотности (pH) и добавлением химических средств.
Среди главных факторов, определяющих величину заряда поверхности вторичного волокна, следует назвать удельную поверхность волокна и степень активности ее функциональных групп, адсорбционную емкость поверхности по отношению к химическим компонентам массы и pH массы. Данные по удельной поверхности волокна различны. Для целлюлозной массы приводятся значения по фракциям. Так, основная длинноволокнистая фракция имеет поверхность 2,1 м2/г, а фракция мелкого волокна - 8,0 м2/г. Повышение pH за пределы нейтральной области увеличивает активность поверхностных функциональных групп, т.е. повышает анионную активность поверхности волокна. Это влияние количественно проявляется увеличением заряда поверхности волокна, характеризуемым £ - потенциалом (дзета, или электрокинетический потенциал). Он растет по мере повышения pH. Так, значениям pH 4, 6 и 8, величины ^-потенциала соответственно равны (-)Мв: 15, 25 и 30. Удельная поверхность и ее заряд обусловливают адсорбционную емкость волокна по отношению к ингредиентам массы: диполям воды, химическим веществам, мелкому волокну и иным включениям коллоидного характера (анионным загрязнениям).
В плане рассмотрения процесса проклейки адсорбционная емкость волокна очень важный фактор. Положительное значение имеет адсорбция катионактивных полимерных функциональных химикатов - крахмала, полиакриламида и др. Эти продукты в воде проявляют свойства коллоидных систем. Их частицы несут положительный заряд и активно адсорбируются поверхностью волокна, тем самым снижая удельную поверхность волокнистой массы и ее способность адсорбировать частицы клея. Еще один важный аспект этой адсорбции - это снижение адсорбции поверхностью волокна (вытеснение) диполей воды. В литературе приводятся данные величины насыщения поверхности волокна катионным крахмалом. Поверхность длинноволокнистой фракции целлюлозы (2,1 м2/г), имеет величину насыщения 42 мг/г, мелкое волокно (8,0 м2/г) -65 мг/г. Если принять удельный расход катионного крахмала 10 кг/т картона, то величина насыщения будет 10 мг/г волокна (примерно 15-25% от приведенных значений). С учетом существенно меньшего содержания активных функциональных групп на поверхности вторичного волокна можно принять величину ее насыщения тем же удельным расходом крахмала в пределах 30-40%.
Важным фактором проклейки на стадии удержания и фиксации клея является удержание мелкого волокна и анионных загрязнений. Имея коллоидный характер частиц и отрицательный заряд поверхности без добавления повышающих удержание катионактивных полимеров, они легко удаляются при формовании листа картона на сетке и дальнейшего его обезвоживания в мокрой части машины. Зная, что масса из вторичного волокна отличается превалирующим содержанием средне- и мелковолокнистых фракций, наибольшей удельной поверхностью и, следовательно, максимальной способностью к удержанию частиц клея, подобный характер формования и обезвоживания в технологии тест-лайнера не приемлем. Катионный крахмал и другие катионактивные полимеры позволят осуществлять экономически целесообразную технологию с высоким сохранением в картоне мелкого волокна, задаваемого клея и анионных загрязнений.
Таким образом, на стадии удержания и фиксации частиц клея поверхностью волокна явлениям адсорбции принадлежит ведущая роль. Участвуя в поверхностных явлениях, высокоактивные катионные компоненты массы, прежде всего крахмал и частицы клея, проявляют селективную адсорбцию волокном. А задачей технологии является обеспечение условий протекания поверхностных явлений по теоретически наиболее эффективному селективному взаимодействию компонентов массы, иными словами, обеспечение превалирующей адсорбции волокном крахмала, клея или мелкого волокна.
Превалирующий механизм адсорбции обеспечивается прежде всего последовательностью и местом введения в массу химических ингредиентов. Подача и распределение катионного крахмала в массе ранее вве-
дения клея, обеспечивает эффективную адсорбцию крахмала волокном, в подавляющей массе мелко- и средневолокнистой фракций. Свободные положительные заряды образующихся комплексов приводят к фиксации их на волокне длинноволокнистой фракции. В результате образуется структурированная водноволокнистая масса, состоящая из флоккулированных частиц комплексов «волокно-крахмал» [10]. Введенный в массу клей распределяется в структуре, адсорбируется и фиксируется комплексами «волокно-крахмал», причем клей с большой вероятностью удерживается волокном и крахмалом.
На стадии адсорбционной фиксации клея на волокне важную роль играет температура плавления АКД воска. Как указывалось выше, клеи выпускаются с температурами плавления, °С: 45-50, 50-55 и >50. Высокая температура массы и низкая температура плавления могут привести к размягчению или расплавлению гидрофобных ядер частиц клея, как следствие, нарушению их стабильности с явлениями коагуляции клея и выпадением вредных липких отложений. Поэтому желаемое повышение температуры массы при отливе картона следует сочетать с применением клея с более высокой температурой плавления.
Соблюдение указанного условия позволяет сохранить стабильность клеевых частиц до стадии обезвоживания картона в сушильной части. Именно на этой стадии происходит комплекс процессов, приводящих к гидрофобизации волокна клеем. Для осуществления химической реакции димера с гидроксильными группами поверхности волокна необходимо, чтобы произошла дестабилизация и разрушение мицеллы клея с высвобождением молекул димера, сближение реакционной лактоновой группировки атомов димера со свободными гидроксилами поверхности волокна на реакционное расстояние. Очевидно, что результат этой стадии определяется влажностью полотна бумаги, уровнем рН, участием химических средств и температурой. Дестабилизация частиц клея, ровно как и структуры массы, является функцией влажности картона. Высокая температура (100-110 °С) прогрева картона, расправляет частицы клея, и они сохраняют свойства коллоидной частицы до достижения влажности примерно 30-40%. Еще достаточная гидратная оболочка частиц, вследствие высокого поверхностного натяжения, не дает растекаться расплаву на поверхности волокна. Удаление капиллярной влаги (сухость 30-20%) и адсорбированной влаги (сухость более 20%) освобождает расплав клея, и он растекается по поверхности волокна с образованием мономолекулярного слоя. Такие то-помономолекуларные слои димера алкилкетена образуют на поверхности волокна микромозаичные участки. Только в этот период возможна химическая реакция димера и волокна, приводящая к образованию гидрофобных участков поверхности по механизму образования Р-кетоэфира (созревание проклейки). С этого момента возможна реакция гидролиза Р-кетоэфира (реверсия проклейки). Не умаляя важности протекания процесса по рассмотренному механизму (зафиксированная часть клея), без теоретической основы остается часть клея, свободно удерживаемая волокном (рис. 3). По существующим взглядам, этой части клея отводится роль, как основного проклеивающего средства [8], так и вспомогательного [9].
Кратко остановимся на возможном механизме участия свободно удерживаемого волокном клея. В теории самопроизвольного флоккулирования водноволокнистой массы основная роль отводится гидрофильногидрофобному взаимодействию [10-12]. Основой теории является стереоориентирование, «выталкивание» и скрепление между собой гидрофильных (протоноакцепторных) и гидрофобных (протонодонорных) участков поверхности волокна под действием избыточных сил, возникающих в структуре воды вследствие «гидрофильной» и гидрофобной» гидратации указанных участков поверхности. Протекание этого процесса можно считать признанным, так как дифильность макромолекул целлюлозы и механизм «гидрофильной» и «гидрофобной» гидратации убедительно доказаны [13-15].
Очевидно, что перераспределение общей поверхности волокна в сторону уменьшения гидрофобных участков и повышения гидрофильности волокна как следствия рассмотренной теории должно определенным образом влиять на механизм его проклейки димерами алкилкетена. Одним из вероятных направлений механизма проклейки можно считать повышение доли клея, участвующего в реакции образования Р-кетоэфира, за счет увеличения гидрофильности (приращения гидроксильных групп). Второе направление механизма связано с превалирующей миграцией расплавленного клея в места межволоконных гидрофобных контактов. Сродство гидрофобных контактов и гидрофобных радикалов димеров алкилкетена (когезия) образует прочносвязанную систему «волокно-димер» и в сочетании с системой «волокно-димер», созданной по реакции Р-кетоэфира, обеспечивают придание гидрофобных свойств картону.
Выводы:
1. В механизме проклейки тест-лайнера клеями на основе димера алкилкетена превалирующими процессами являются реакция образования Р-кетоэфира и когезионное закрепление димера на гидрофобных поверхностях волокна и в гидрофобных межволоконных контактах.
2. Механизм гидрофобного взаимодействия в водноволокнистой структуре массы способствует перераспределению гидрофобных и гидрофильных участков поверхности волокна в сторону уменьшения гидро-фобности волокна и, как следствие этого, прирастает доля образования р-кетоэфира.
3. Качественная проклейка тест-лайнера обеспечивается созданием условий для максимального протекания обоих механизмов - образования Р-кетоэфира и когезионное закрепление димера алкилкетена.
3. В обобщенном виде факторы придания заданной проклейки тест-лайнера димерами алкилкетена следующие: предварительное введение в массу катионного крахмала (8-10 кг/т); рН массы 7,0-8,5; применение высококатионного клея (заряд частиц + 2 или +3) с повышенной температурой плавления (50-55 °С); повышенная температура сушки картона (не менее 110 °С) для улучшения созревания проклейки; дополнительное созревание проклейки после изготовления картона; нормальным является созревание, при котором необходимый уровень проклейки появляется после перемотки картона на продольно-резательном станке.
Список литературы
1. Шмига В. Изготовление бумаги в нейтральной и щелочных средах // Современные проблемы химии и химической технологии. Обзор. М., 1988. Вып. II (230). 57 с.
2. Крылатов Ю.А., Ковернинский И.Н. Проклейка бумаги. М., 1987. 288 с.
3. Фляте Д.М. Свойства бумаги. М., 1986. 680 с.
4. Иванов С.Н. Технология бумаги. М., 1970. 696 с.
5. Фролов М.В. Структурная механика бумаги. М., 1982. 272 с.
6. Ковернинский И.Н., Дулькин Д.А., Блинушова О.И. Исследование динамики проклейки бумаги из вторичного волокна клеями на основе алкилдимеркетенов // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы III Всеросс. науч. конф. Барнаул, 2007. Кн. 3. С. 94-98.
7. Энгельгардт Т., Гранич К., Риттер К. Проклейка бумаги / перев. с нем. Б.М. Гуткина. М., 1975. 224 с.
8. Ostwald Wo. Die Welt der vemachlassigten Dimensionen. Dresden-Leipzig: Vertrag Th. Steinkopft, 1944.
9. Placzek L. Chemische produkte fur die Papierfabrikation. 2. wrsentlich erweitere Ausgabe. Hausenstamm: P.Keppler. Vertrag KG, 1967.
10. Структурообразование в суспензиях целлюлозных волокон. Рига, 1967. 208 с.
11. Ковернинский И.Н. Упрочнение целлюлозно-бумажных материалов поверхностной обработкой модифицированными карбамидными олигомерами: дис. ... д-ра техн. наук. М., 1992. 328 с.
12. Пчелин В.А. Гидрофобное взаимодействие в гидрофобных системах. М., 1976. 64 с.
13. Фролов М.В. О природе межволоконных сил в бумаге // Бумажная промышленность. 1980. №3. С. 15-17.
14. Фролов М.В. Структурная механика бумаги. М., 1982. 272 с.
15. Милиховски М. О механизме взаимодействия в бумагообразующих гидрофильных системах // Химия древесины. 1990. №1. С. 69-77.
Поступило в редакцию 28 января 2008 г.
