CC BY
43
Химия растительного сырья. 2005. №2. С. 11-14.
УДК 676:262.054.1:532.135
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕЛОВАЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ.
6. ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ
© Р.З. Пен1,2 , Л.В. Чендылова1, И.Л. Шапиро1
1 Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82,
Красноярск, 660049 (Россия). E-mail: [email protected]
2Институт химии и химической технологии СО РАН, Академгородок,
Красноярск, 660036 (Россия)
Изучено влияние состава многокомпонентной меловальной суспензии (мел, тальк, каолин, поливинилацетатный и бутадиенстирольный латексы, Na-карбоксиметилцеллюлоза) на ее реологические характеристики и на свойства мелованной бумаги. Зависимости большинства свойств от состава аддитивны. В ряде случаев установлены эффекты синергизма и антагонизма.
Введение
Вопрос о характере и величине эффектов взаимодействия между компонентами пигмента и связующего в сложных многокомпонентных меловальных суспензиях остается наименее изученным. Полученные нами в ходе исследования [1] математические модели позволили выполнить анализ ряда таких взаимодействий.
Экспериментальная часть
Исследованиям подвергали меловальную суспензию со следующим соотношением компонентов (по массе): пигменты - 84%, связующие - 14,4%, глицерин - 0,7%, Na-полифосфат - 0,9%. В качестве пигментов использовали каолин (К), тальк (Т), мел (М) и их смеси. Массовую долю каждого из пигментов в их смеси варьировали в диапазоне значений от 0 до 1 согласно симплекс-центроидному плану эксперимента (7 уровней). В качестве связующих использовали натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), бута-диенстирольный латекс (БДС), поливинилацетатный латекс (ПВА) и их смеси. Массовую долю (по сухому веществу) каждого из связующих в их смеси варьировали также от 0 до 1 с использованием симплекс-центроидного плана (7 уровней). Общий план эксперимента был получен в виде прямого произведения двух названных выше планов (б независимых переменных, 49 вариантов состава).
Свойства суспензии и мелованной бумаги характеризовали следующими показателями: эффективная вязкость, эффективная энергия активации течения, водоудержание, масса наноса при однослойном мело-вании, воздухопроницаемость бумаги, впитываемость воды при одностороннем смачивании бумаги со стороны покрытия (смачиваемость), сопротивление разрыву и жесткость бумаги. Методики анализов приведены в предыдущей публикации [1].
Для характеристики эффектов взаимодействия между компонентами меловальной суспензии нами введен параметр Q - «степень неаддитивности»:
* Автор, с которым следует вести переписку.
где Ужсп - величина показателя (свойства суспензии или мелованной бумаги), измеренная в ходе эксперимента; Yad - величина того же показателя, вычисленная в предположении об аддитивной зависимости ее от свойств индивидуальных компонентов и от массовой доли их в составе суспензии. Нетрудно видеть, что в случае аддитивной зависимости свойств от состава (т.е. при Y3Kcn=Yad) степень неаддитивности Q = 0. Результат Q > 0 указывает на существование синергетического эффекта, тем большего, чем существеннее отклонение Q от нуля. Аналогично, при Q < 0 имеет место эффект антагонизма.
Зависимости Q от соотношения компонентов пигмента и связующего аппроксимировали уравнениями регрессии третьей степени специального вида (пакет ПП Statgraphics Plus, блок Experimental Design) [2]. На основании дисперсионного анализа из уравнений исключали нелинейные члены, для которых доверительная вероятность регрессионных коэффициентов не превышала 95%. Полученные таким путем математические модели использовали для построения треугольных диаграмм «состав - свойство».
Для наглядного представления результатов применен прием, сущность которого проиллюстрирована рисунком 1. Зависимости Q от состава пигмента изображены в виде поверхностей отклика на диаграммах «состав -свойство». Полученные диаграммы размещены в точках «концентрационного треугольника», соответствующих составам связующего: точки 1, 2 и 3 - индивидуальные связующие; точки 4, 5 и 6 - двойные смеси из равных количеств соответствующих связующих; точка 7 - смесь из равных количеств всех трех связующих.
Обсуждение результатов
На рисунке 2 представлена изложенным выше способом зависимость степени неаддитивности эффективной вязкости от состава суспензии. Естественно, что во всех вершинах треугольных диаграмм «состав -свойство», соответствующих суспензиям из индивидуальных компонентов (вершины треугольников в точках 1, 2 и 3 на рисунке 1 и аналогично дислоцированные точки на рисунке 2, степень неаддитивности равна нулю. Ни для одной из смесей не отмечено синергетического эффекта. Эффекты антагонизма весьма сильно проявились в системах со смешанным связующим, содержащим бутадиенстирольный латекс, независимо от состава пигмента. Из других особенностей можно отметить отсутствие эффектов взаимодействия в суспензии на основе каолина и смешанного связующего из КМЦ, БДС и ПВА, тогда как мел и тальк с тем же связующим дают ощутимый антагонистический эффект.
На водоудерживающую способность суспензии (водоудержание) статистически значимое влияние оказывает состав как пигмента, так и связующего (рис. 3). Ни в одной из композиций не проявилось заметного эффекта синергизма. Из наиболее существенных особенностей следует отметить сильный антагонистический эффект у суспензий, состоящих из каолина и смешанных связующих, тогда как в суспензиях из мела и талька со всеми связующими эффекты взаимодействия отсутствуют.
Рис. 1. Диаграмма, иллюстрирующая способ «визуализации» эффектов взаимодействия в системах пигмент - связующее
кыц
вдс
ПВА
Рис. 2. Зависимость степени неаддитивности эффективной вязкости от состава меловальной суспензии
Рис. 3. Зависимость степени неаддитивности водоудержания от состава суспензии
Зависимость массы наноса от состава меловальной суспензии в большинстве случаев близка к аддитивной (рис. 4). Из взаимодействий между компонентами пигмента и связующего заслуживает упоминания только сильный синергетический эффект у состава на основе мела и смешанного связующего КМЦ-ПВА. В остальных смесях отмечались небольшие по величине эффекты как синергизма, так и антагонизма.
Анализ влияния состава меловальной суспензии на воздухопроницаемость мелованной бумаги выявил ряд сильных эффектов синергизма (рис. 5). Отмеченная ранее [1] повышенная воздухопроницаемость покрытий из мела и талька наиболее сильно проявилась при использовании смеси из КМЦ и ПВА в качестве связующего, при этом максимальный эффект наблюдался, когда пигмент состоял из смеси примерно равных долей мела и талька. Неаддитивно высокую воздухопроницаемость показали также меловые покрытия со смешанным связующим из БДС и ПВА. Неожиданным и пока необъяснимым оказался сильный антагонистический эффект, проявившийся у покрытий, в состав которых входили тальк, каолин и смешанное связующее из БДС и ПВА.
Для других изученных показателей (эффективной энергии активации вязкого течения, смачиваемости, прочности на разрыв и жесткости мелованной бумаги) статистически значимых эффектов взаимодействия не установлено.
КМЦ
к
Рис. 4. Зависимость степени неаддитивности массы наноса от состава суспензии
КМЦ
к
Рис. 5. Зависимость степени неаддитивности воздухопроницаемости бумаги от состава суспензии
Список литературы
1. Пен Р.З., Чендылова Л.В., Шапиро И.Л. Реологические свойства меловальных суспензий. 5. Свойства пигментов и связующих // Химия растительного сырья. 2005. №2. С. 5-10.
2. Пен Р.З. Планирование эксперимента в Б1а£гарЫс8. Красноярск, 2003. 246 с.
Поступило в редакцию 6 июня 2005 г.
