CC BY
119
УДК 676.038.2
УПРОЧНЕНИЕ БУМАГИ СИНТЕТИЧЕСКОЙ КАТИОННО-АНИОННОЙ ПОЛИАКРИЛАМИДНОЙ СМОЛОЙ
© С.Ю. Кожевников1, С.Л. Андреев^
1ООО «СКИФ Спешиал Кемикалз», Восточная промзона, 7, Дзержинск, Нижегородская обл., 606000 (Россия), e-mail: skif@skif.us 2ОАО «Полиграфкартон», пр. Революции, 93, Балахна, Нижегородская обл., (Россия), e-mail: andsofya@mail.ru
Статья посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям по разработке, изучению свойств и промышленному применению катионно-анионной полиакриламидной смолы «Ультрарез DS 150).
Синтезированная смола содержит катионные и анионные функциональные группы, придающие ей свойства ам-фотерности. Взаимодействие катионных и анионных групп с волокном в бумажной массе повышает полноту проявления присущих смоле свойств. В интервале рН 6,5-7,5, характерном для производства бумаги и картона в нейтральной среде, смола имеет умеренный катионный потенциал 70-80 мВ и низкую анионную потребность 8-10 мг-экв./л.
При лабораторных и опытно-промышленных испытаниях смола показала удовлетворительную упрочняющую эффективность, при расходах в пределах 6-7 кг/т по товарному 15% продукту «Ультрарез DS 150». Достигаемые результаты имеют место при сочетании смолы в массе с соединениями алюминия - сульфатом или полиоксихлоридом.
Ключевые слова: вторичное волокно, макулатура, проклейка, упрочнение, катионно-анионная смола, катионный потенциал, анионный потенциал, анионная потребность, полиакриламидная смола.
Значение фактора прочности для бумаги
Упрочнение бумаги является приоритетом в развитии химии бумаги. Всем видам бумаги и картона присуща прочность, определяемая областью применения данных материалов. Наиболее прочными должны быть тароупаковочные виды бумаги и картона. Для них справедлива формула - «чем прочнее материал, тем он рентабельнее для производителей и востребованнее потребителями». Это легко подкрепляется тем преимуществом более прочных материалов, что их можно изготовлять с пониженной массой 1 м2, следовательно налицо рациональность использования волокна и соблюдение нормативных свойств материалов.
В сравнении с бумагой и картоном из первичного волокна, для которых характерно относительное постоянство прочностных и иных свойств, вторичное волокно отличается кардинальной изменчивостью свойств. А учитывая, что основная масса тароупаковочных видов материалов производится с применением в композиции бумажной массы вторичного волокна либо полностью из него, нетрудно понять особую актуальность стабилизации и повышения прочностных свойств бумажных материалов [1].
Основным химическим средством повышения прочности бумаги и картона являются природные крахмалы. Они проявляют присущие им связующие свойства, которые в значительной степени регулируются модификацией крахмалов [2]. Наряду с крахмалопродуктами применяются синтетические связующие
- полимерные смолы различной химической природы. Однако их доля в сравнении с крахмалопродуктами еще незначительна. Но, учитывая возможности современного химического синтеза в придании требуемых связующих свойств синтетическим смолам, это направление рассматривается альтернативным крахмалу. Фирмами разрабатывается это перспективное направление, имеются определенные успехи в создании и применении синтетических смол в качестве упрочняющих средств для бумаги.
* Автор, с которым следует вести переписку.
Синтетическая полимерная смола на основе катионно-анионного полиакриламида для упрочнения бумаги
Полиакриламидные катионные и анионные смолы достаточно хорошо известны положительным влиянием на прочностные свойства бумаги [3]. Тем не менее уровень прироста прочности не так велик, как требуется в большинстве случаев.
В лаборатории ООО «СКИФ Спешиал Кемикалз» был разработан и синтезирован продукт, совмещающий в себе катионные и анионные свойства. На его основе создан промышленный продукт для упрочнения бумаги - смола с торговой маркой «Ультрарез Б8 150» [1, 4].
Если обратиться к составу и структуре синтезированного полимерного продукта, то можно видеть, что основная цепочка полимера построена из мономеров акриламида; в нее сополимеризованы звенья мономеров, проявляющие катионные и анионные свойства [5]:
т с и н сн
(снз)зК+сГ п
сн2-сн-
I
о=с—мн2
100-(п+ш)
соо н
Ч-сн-с-
соо н+
По существу, в структуре макромолекулы сополимера присутствуют группы четвертичного аммония и аминогруппы акриламида, придающие ему в водных растворах катионные свойства, а также карбоксильные группы органической дикислоты, придающие анионные свойства. Анализ приведенной структуры сополимера позволяет выделить следующее:
а) катионно-анионный полиакриламид имеет амфотерные свойства, так как в зависимости от условий проявляет катионные или анионные свойства или те и другие одновременно;
б) при синтезе имеется возможность в широких пределах варьировать содержание катионных групп
- от 5 до 20 моль% и анионных групп - от 2 до 16 моль%, т.е. можно управлять балансом катионноанионных свойств;
в) большая доля анионных и катионных групп обеспечивает их управляемую плотность на поверхности макромолекул - от низкой плотности до высокой;
г) плотность заряда поверхности и его катионно-анионный баланс существенно зависят от рН среды; можно определенно ожидать заметного изменения катионно-анионного баланса в сторону приращения отрицательного потенциала при увеличении рН (усиление диссоциации карбоксильных групп) и, наоборот, увеличения положительного потенциала поверхности при понижении рН (активация аминогрупп).
Товарный продукт - это водный неограниченно разбавляемый раствор с рН около 4,0, концентрацией основного вещества 15-18% и высокой вязкостью - 1500-4000 мПас.
ш
Исследование влияния рН на электрический потенциал катионно-анионной полиакриламидной смолы
Учитывая, что упрочняющую функцию смола предназначена выполнять в бумажной массе, рН которой может находиться в интервале 4,5-7,5, а варьирование анионно-катионного баланса, определяемое катионной потребностью, может составлять от десятков до нескольких сотен мг-экв/л, то важно знать влияние рН на электрический потенциал смолы и ее анионную потребность. Данные по этим исследованиям представлены графически на рисунках 1 и 2 [5].
Анализ графиков на рисунках 1 и 2 позволяет отметить следующее:
а) в кислой среде смола имеет высокую плотность положительного электрического потенциала, превышающего 250 мВ, который постепенно понижается при увеличении щелочности среды и составляет 7090 мВ при рН 6,0-7,5;
б) в интервале рН 6,0-7,5, характерном для «нейтрального» производства бумаги, электрический потенциал смолы остается положительным и еще достаточно высоким;
в) снижение положительного потенциала свидетельствует о приращении отрицательного потенциала, т.е. происходит перераспределение катионно-анионного баланса системы в сторону увеличения анионной составляющей;
Рис. 1. Зависимость электрического потенциала Рис. 2. Зависимость анионной потребности смолы
смолы от рН от рН
г) несмотря на высокий уровень электрического потенциала 70-90 мВ при рН 6,0-7,5, смола обладает очень низкой способностью адсорбции анионов, анионная потребность составляет примерно 10 мг-экв./л (рис. 2), т.е. проявляет свойства низкоактивного катионного компонента водной системы.
Учитывая свойства смолы, проявляемые в водной среде, можно сделать главный вывод, что в бумажной массе превалирующим эффектом от участия смолы в связеобразовании будет упрочнение межво-локонной связи и мало заметным будет ее действие как фиксатора анионных частиц.
Цель работы - исследование свойств и упрочняющего действия синтетической катионно-анионной полиакриламидной смолы при применении в производстве бумаги и картона из вторичного волокна; формулирование основ технологии применения и промышленные испытания смолы.
Лабораторные и опытно-промышленные испытания технологии упрочнения бумаги катионноанионной полиакриламидной смолой «Ультрарез DS150»
Цель лабораторных испытаний: установление упрочняющей эффективности синтетической смолы «Ультрарез Б8 150» в качестве альтернативного химиката катионному крахмалу «Амилофакс».
В лабораторных условиях производилась бумага для гофрирования 125 г/м2 и использовалось вторичное волокно из макулатуры МС-5Б (бытовая макулатура). Волокнистая масса из макулатуры перед отливом образцов бумаги размалывалась в лабораторном ролле до степени помола 30 °ШР. Отливки бумаги выполнялись на листоотливном аппарате «Рапид-Кеттен».
Изготавливались 2 варианта образцов бумаги:
а) с химическими средствами: полиоксихлорид алюминия - «РОЬУРАС8-18» (2 кг/т); катионный крахмал «Амилофакс» - 12 кг/т; катионный клей АКД - «Гидрорез» 364 УР - 3, 5 кг/т; флокулянт «Фен-нопол» - 250 г/т;
б) с химическими средствами по п. «а», но с заменой крахмала на смолу «Ультрарез Б8 150».
Обработанные результаты испытаний представлены в таблице 1.
Анализ результатов испытаний и выводы
1. Синтетическая полимерная смола «Ультрарез Б8 150», добавляемая в массу в количествах 3, 5 и 7 кг/т взамен крахмала, оказывает упрочняющее действие на бумагу; по мере увеличения смолы с 3 до 7 кг/т, показатели прочности растут и достигают уровня нормируемых показателей для бумаги марок Б-1 и Б-0.
2. Заметное влияние на упрочняющую эффективность смолы «Ультрарез Б8 150» оказывает полиоксихлорид алюминия: повышение расхода «РОЬУРАС8-18» в массу, по отношению к смоле, повышает механические показатели бумаги.
3. Лабораторные испытания упрочняющей способности синтетической смолы «Ультрарез Б8 150» в сочетании с полиоксихлоридом алюминия показали, что в технологии производства бумаги для гофрирования эти химикаты могут быть альтернативой катионному крахмалу с дополнительными положительными эффектами.
Таблица 1. Данные по результатам сравнительных лабораторных испытаний смолы «Ультрарез Б8 150» и крахмала «Амилофакс»
Физико-
Подача химических средств в массу, кг/т
механические показатели бумаги Без добавок ПП - 2 КК - 12 ПП - 3 ББ-150 3 ПП - 4 ББ-150 3 ПП - 5 ББ-150 3 ПП - 3 ББ-150 5 ПП - 4 ББ-150 5 ПП - 5 ББ-150 5 ПП - 3 ББ-150 7 ПП - 4 ББ-150 7 ПП- 5 ББ-150 7
Абсолютное сопротивление продавлива-нию, кПа (кгс/см2) 220 320 240 265 257 282 288 315 279 321 340
Сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца (СМТ), КН/м 0,98 1,21 1,08 1,11 1,08 1,21 1,18 1,23 1,08 1,12 1,43
Сопротивление плоскостному сжатию, Н 145 201 135 175 160 1 70 185 210 218 238 248
Разрушение при сжатии кольца, Н (15 мм) 105 175 1 20 150 150 180 185 180 191 190 185
Разрушающее усилие, Н (100 мм) 55 80 55 62 66 68 65 89 66 67 93
Сокращения: ПП - «РОЬУРЛС8-18»; КК - катионный крахмал «Амилофакс»
4. Рекомендуемые расходы «Ультрарез Б8 150» и «РОЬУРАС8-18» 5-7 и 4-5 кг/т.
5. Данные лабораторных испытаний позволяют ожидать положительных результатов от опытнопромышленных испытаний.
Опытно-промышленные работы проводились на одном из действующих предприятий России. Испытывалась технология повышения прочности бумаги для гофрирования на основе смолы «Ультрарез Б8 150» как альтернативного упрочняющего средства катионному крахмалу для получения бумаги марки Б-1. Изготовлялась бумага для гофрирования массой 112 г/м2. Выработано 100 т бумаги и израсходовано 674 кг смолы. Удельный расход смолы составил 6,74 кг/т бумаги. Продолжительность работы - 28,5 часов. В массу подавались: смола «Ультрарез Б8 150», «РОЬУРАС8-18» с расходами в среднем 6,7 и 4 кг/т бумаги соответственно. Подача смолы осуществлялась в массу в отсутствие подачи свежего крахмала. Изначально упрочняющий результат на бумагу оказывал комплекс «Ультрарез Б8 150» и «РОЬУРАС8-18».
Основные результаты промышленных испытаний представлены в таблице 2.
Таблица 2. Данные результатов опытно-промышленных испытаний упрочняющих свойств смолы «Ультрарез Б8 150»
Технологии свзв., % спня, °ШР рНня РрАЗ., кН/м Рпрод., кПа Рпл, сж. (12,5 мм), Н Рторц. СЖ., кН/м Рсж. кольца., Н/кгс Рсж. кор. обр, кН/м.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
По ГОСТ 7,0 245 190 0,95 10,0 1,8
Действующая 2 49 6,8 8,3 260 150 1,20 1,54
технология с
крахмалом
Новая технология 6,8 210
со смолой «Ульт- 7,1 6,7 230 170 1,54
рарез ББ 150» 7,3 246
7,3 260 158
1,9 51 7,03 6,8 270 1,20 1,66
7,3 255 174
1,93 7,9 270
Продолжение таблицы 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
7,6 290 186
1,5 7,4 260
7,7 270 183 1,97
7,7 280 166
7 7,5 270 172 1,6 1,89
7,3 290 181
1,8 8,0 280 181
8,3 280 183 2,00
2,1 7,9 290 108
7,7 280 175
7,7 280 181 1,91
7,6 270 191/206 1,44 130
7,1 280 193 106/110 1,86
7,5 300 183/178
48 6,9 240 93/100
6,6 250 166/173
7,6 270 191/206 1,44 130
Условные обозначения: СВЗВ - концентрация взвешенных веществ в подсеточной воде; СПНЯ - степень помола массы в напорном ящике; рННЯ - активная кислотность массы в напорном ящике; Рраз - удельное сопротивление разрыву; РПРОд - абсолютное сопротивление продавливанию; Рпл, сж - сопротивление плоскостному сжатию гофрированного образца бумаги; РТОРц. сж - сопротивление торцевому сжатию гофрированного образца бумаги; Рсж. КОЛЬцА. - разрушающее усилие при сжатии кольца; Рсж. кор. обр - сопротивление сжатию
Анализ результатов опытно-промышленных работ
Как видно из таблицы 2, в целом нормируемые показатели бумаги оказались на уровне требований норм для бумаги марки Б-1, кроме показателя «Сопротивление плоскостному сжатию гофрированного образца бумаги». Данный показатель колебался в пределах 170-180 Н, при норме - 190 Н, что ниже на 510%. Сравнивая полученные значения данного показателя, характеризующего жесткость, и других, характеризующих прочность бумаги, можно говорить о более выраженном влиянии смолы на прочность бумаги. Недостаточное влияние смолы на жесткость бумаги требует сочетания смолы в массе с иными химическими средствами, усиливающими ее свойство повышать жесткость либо способствующими более полному завершению реакции смолы с волокном.
О недостаточном завершении данной реакции свидетельствует существенное повышение сопротивления плоскостному сжатию и разрушающего усилия при сжатии кольца после выдержки образцов бумаги в течение 10 мин в термошкафу при температуре 105 °С. Данная операция позволила получить нормируемые уровни показателей.
Заключение по опытно-промышленным испытаниям
1. Результаты опытно-промышленных работ являются положительными: основная масса бумаги по качеству отнесена к марке Б-1.
2. отрицательных явлений или затруднений в работе оборудования не замечено.
3. Технически использование смолы в технологии в сравнении с крахмалом отличается удобством и простотой.
Выводы
1. Катионно-анионная полиакриламидная смола является эффективным химическим средством упрочнения бумаги и может быть использована в качестве альтернативного продукта катионным крахмалам, используемым для этих целей.
2. Упрочняющие свойства смола проявляет в сочетании с полиоксихлоридом алюминия, который активирует ее удержание и реакционную способность в бумажной массе.
3. Повышение упрочняющей эффективности технологии на основе смолы «Ультрарез Б8 150» крайне желательно, так как позволит производить стабильного качества бумагу Б-1 и Б-0.
4. Учитывая выявленное свойство смолы к преимущественному повышению прочностных свойств бумаги и меньшему увеличению ее жесткости, целесообразно продолжать научные исследования для разработки вариантов технологий удовлетворяющих, как по прочности, так и по жесткости бумаги.
Список литературы
1. Кожевников С.Ю., Ковернинский И.Н. Химия и технологии СКИФ для бумаги. Иматра, Финляндия. 2010. 91 с.
2. Пермяков Н.С. Адгезия и когезия. Крахмал и крахмальный клей // Гофрокартон от сырья до печати: сб. науч. тр. 2-й МНПК. СПб., 2008. С. 6-19.
3. Осипов П.В. Технология и механизмы упрочнения внутренней структуры бумаги и картона // Новое в химии бумажно-картонного производства и полиграфии: сб. науч. тр. МНПК. СПб., 2006. С. 18-23.
4. Спешиал Кемикалз СКИФ. Каталог продукции. Дзержинск, 2010. 77 с.
5. Кожевников С.Ю., Идиатуллин А.М., Вдовина О.С., Уваров К.А., Кабаров А.В., Яблочкин Н.И., Баранова Н.А., Идиатуллина И.С. Применение отечественных амфотерных полимерных смол для производства бумаги и картона // 10-я юбилейная международная научно-техническая конференция. Караваево, 2009. С. 134-142.
Поступило в редакцию 7 декабря 2010 г.
После переработки 27 декабря 2010 г.
