CC BY
25
УДК 676.266.2
С. Ю. Кожевников, И. Н. Ковернинский, А. В. Канарский ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ ХИМИЧЕСКИМИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ ФРАКЦИОНИРОВАННОЙ МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БУМАГИ
Ключевые слова: макулатурная масса, фракционирование, модификация волокон ХВВ, свойства бумаги.
Приводятся результаты исследования, отражающие влияние модификации ХВВ на свойства фракционированной макулатурной массы. Показано, что добавка последовательно каждого полимера, понижает электрокинетический потенциал и катионную потребность фракционированной макулатурной массы и улучшает качество бумаги.
Keywords: wastepaper, fractionation, modification of chemical auxiliary substances, the properties of the paper.
The results of the study, reflecting the effect of chemical modification on the properties of auxiliary substances fractional wastepaper. It is shown that the addition successively of each polymer, and reduces the zeta potential of cationic demand fractionated deinking and improves the properties of paper.
Актуальность. Развитие производства тарного картона, наблюдаемое в России, основано на современной технологии переработки макулатурного сырья [1].
Несмотря на существенно устаревший парк бу-маго- и картоноделательных машин (БДМ, КДМ), на них производится флютинг и тест-лайнер с качеством, удовлетворяющим рынок [2-3]. Для данных конструкционных материалов используется макулатура группы «Б», марки МС-5Б по ГОСТ 10700-97 [4]. К перспективным факторам настоящего этапа развития можно отнести: фракционирование макулатурной массы, двух- и многосеточное формование бумаги (картона), применение широкого ассортимента химических вспомогательных веществ (ХВВ) целевого функционального назначения [5-7]. Перечисленные факторы направлены на повышение эффективности производства и качества продукции, без которых исключается возможность конкуренции. Вместе с тем, усложняется технология, а схемы и нормы сочетания фракционирования, многослойного формования и ХВВ во многом опираются на практический опыт. Поэтому, научное обоснование данные о свойствах и процессах технологии, учитывающие новые реалии, являются актуальными.
Цель настоящей работы - определение влияния модификации химическими вспомогательными веществами фракционированной макулатурной массы на физико-механические свойства бумаги и картона.
Методическая часть
В первой серии экспериментов определялись свойства макулатурной массы из макулатуры МС-5Б и фракций макулатуры - длинноволокнистая (ДВФ) и коротковолокнистая (КВФ). Макулатурная масса и фракции макулатуры отбирались на ООО «Сухонский ЦБК» из производственного потока. Фракционирование макулатурной массы проводят на промышленном фракционаторе марки Comer CF-10 (Италия) с круглыми отверстиями диаметром 1,4 мм. По принятой технологии подготовки макула-
турной массы доля образующихся фракций - 60 % ДВФ и 40 % КВФ.
Длину волокна определяли на приборе "Лана-метр М 02" - метод микроскопии, предназначенный для наблюдения тонкопленочных препаратов в проходящем свете. Степень помола определяли на аппарате СР-2.
Во второй серии исследований изучалось влияния добавок ХВВ веществ на свойства фракций макулатурной массы. Для опытов были выбраны 2 группы поликатионных ХВВ, которые последовательно дозировались в массу. Основными ХВВ в обеих группах были продукты производства ООО «СКИФ Спешиал Кемикалз», а связующее № -КМЦ катионный поли-акриламид - других производителей.
I группа: фиксатор «Ультрафикс Р-127», флоку-лянт «Полиамин ССК», связующие: катионный крахмал «Динадин С8 537», «Ультрарез Б8 125 р», полианионное связующее № -КМЦ.
II группа: фиксатор «Ультрафикс Р-127», связующее «Динадин С8 537», клей АКД «Ультрасайз 200», флокулянт катионный полиакриламид (Кат. ПАА).
Традиционная технология предусматривает определенную удельную добавку химических средств и в определенной последовательности. В данной работе мы придерживались реально существующих удельных добавок и последовательности подачи в массу химикатов. В массу последовательно осуществлялись добавки химикатов и определялось изменение (понижение или повышение) £ - потенциала и катионной потребности фильтрата. Устанавливались пределы изменения свойств изучаемых видов массы по указанным двум показателям при добавлении к массе последовательно всех химикатов по двум вариантам. Во всех опытах концентрация массы составляла 0,9 - 1,0 %, рН - 7,9 Результаты исследований представлены в таблицах 3 (I группа), 4 (II группа).
^-потенциал и катионную потребность (КП) определяли методом, указанным в работе [8].
Формование образцов бумаги и определение физико - механических свойств проводили принятыми в ЦБП методами.
Результаты и обсуждение
Свойства макулатурной волокнистой массы представлены в таблице 1. Анализ представленных результатов показывает:
а) степень помола фракций ДВФ 22 °ШР сопоставима со средневзвешенной длиной волокна 1,66 мм и КВФ - 40 °ШР и длиной волокна 1,19 мм;
б) длина волокна ДВФ превышает длину волокна КВФ на 0,47 мм;
в) дальнейшего использования фракцию ДВФ со степенью помола 22 °ШР целесообразно размалывать до 30-35 °ШР, фракцию КВМ возможно использовать без дополнительного размола.
В таблице 2 представлены данные исследования свойств макулатурной массы.
Таблица 2 - Свойства массы, фильтрата и физико-1
Таблица 1 - Показатели качества макулатурной массы
Вид массы Концентрация массы, % Степень помола, °ШР Средняя длина волокна (1В), мм
Нефракцио-
нированная 2,06 30 1,53
масса (НФМ)
Длинноволокнистая фрак- 2,06 22 1,66
ция (ДВФ)
Коротко-
волокнистая 1,59 40 1,19
фракция (КВФ)
показатели отливок бумаги
Вид массы Электроповерхностные и фильтрационные свойства волокнистой массы * Физико-механические показатели отливок массой 125 г/м2
<;- потен циал, мВ Фильтрат, ка-тионная потребность, мг-экв/л Скорость обез-вожива-ния, Разрывная длина, м Жесткость при растяжении, кН/м Сопротивление про-давливанию, кПа Сопротив-лениепло- скост-ному сжатию СМТ30, (12,7/15,0) Н Поверхностная впи-тываемость воды***, г/м2
НФМ, 30 °ШР - 28,8 1,405 40,5 3420 390 240 120/122 213
ДВФ, 22 °ШР -21,3 1,361 24,0 3180 385 245 112/135 201
ДВФ, 34 °ШР - 25,9 0,652 26,0 4100 455 320 137/154 201
КВФ, 40 °ШР - 42,9 1,385 54,0 3000 365 201 115/134 203
*Все испытания проводились на дистиллированной воде **Объём фиксированной жидкости составлял 770 мл, содержание взвешенных веществ 0-0,25 г. *** Кобб60
Анализируя данные таблицы 2, можно отметить следующие закономерности:
а) электрокинетический потенциал (^-потенциал) всех видов массы имеет различную величину, чем выше степень помола массы, тем больше ее отрицательный ^-потенциал;
б) катионная потребность фильтрата для различной массы существенно отличается:
- наибольшая КП наблюдается для нефракциони-рованной массы с исходной степенью помола 30 °ШР -1,405 мг-экв./л и свидетельствует о наибольшем содержании в массе заряженных отрицательно частиц, удаляемых с фильтратом;
- высокая катионная потребность ДВФ со степенью помола 22 °ШР - 1,361 мг-экв./л, что можно объяснить быстрой обезвоживаемостью массы - 24 с., с которой уходит большая доля мелкого волокна;
- наименьшая скорость обезвоживания - 54 с. и высокая катионная потребность (1,085 мг-экв./л) характерна КВФ (40 °ШР);
в) закономерности физико-механических свойств различных видов массы сохраняют классический вид; наибольшее значение всех показателей характерно ДВФ со степенью помола 34 °ШР, а наименьшее - для КВФ, что объясняется низкой механической прочностью короткого волокна;
Основной вывод из проведенных исследований можно сделать такой: фракционирование макулатурной массы позволяет получить разные по свойствам фракции массы, которые можно и следует раздельно рационально обрабатывать для составления композиций массы по волокну с лучшими свойствами.
В таблице 3 представлены результаты исследований, отражающие влияние последовательной добавки фиксатора, флокулянта и трех связующих. Все химикаты, кроме полианионного связующего № -КМЦ, являются поликатионными. Общее количество добавленных ХВВ -10 кг/т, соответствует одному из вариантов общего удельного расхода ос-
новных химикатов. Добавление последовательно всех из 4-х поликатионных химикатов, понижает отрицательный ^-потенциал массы с (-) 28,8 мВ до (-) 13,2 (на 15,6 мВ), практически в 2 раза. Также значительно понижается катионная потребность фильтрата - с 1,405 до 0,242 мг-экв./л, примерно, в 5,8 раза. Полианионное связующее №-КМЦ несколько повышает отрицательную величину потенциа и катионную потребность. Выявленная закономерность сохраняется для всех 3-х видов массы, но имеют место и существенные отличия.
Прежде всего, отметим различную интенсивность понижения показателей отдельными химикатами и наличие предела влияния общего удельного расхода химикатов для рассматриваемых видов массы. Если для НФМ снижение ^-потенциала, примерно в 2
Таблица 3 - Влияние последовательной добавки ХВВ онную потребность
раза, то для ДВФ ^-потенциала снижается на 22,5 мВ - почти достигается изоэлектрическая точка. Катионная потребность уменьшается с 0,652 до 0,145 мг-экв./л Для КВФ снижение ^-потенциала составляет 12,9 мВ, а катионной потребности - с 1,385 до 0,353 мг-экв./л. Связующее №-КМЦ, при применении в обе массы ДВФ и КВФ, несколько повышает ^-потенциал и катионную потребность.
В таблице 4 представлены результаты исследований, отражающие влияние последовательной добавки фиксатора, связующего - катионного крахмала, катионного клея и флокулянта - катионного ПАА. Удельные расходы каждого их химикатов близки к одному из промышленных вариантов, а их общий расход составляет 13 кг/т.
(I группа) в макулатурную массу на ^-потенциал и кати-
Фракция волокнистой массы истепень помола, °ШР ХВВ, удельный расход, кг/т Электрошверхностные свойства волокнистой массы
Z-потенциал, мВ КП фильтрата, мг-экв/л
НФМ 30 Масса без ХВВ - 30,1 1,405
Ультрафикс Р 127 (1,0 кг/т) - 27,2 0,677
Полиамин ССК (1,0 кг/т) - 24,1 0,327
Динадин CS 537, (3,0 кг/т) - 20,6 0,274
Ультрарез DS 125 Q (3,0 кг/т) - 13,2 0,242
Na-КМЦ (2,0 кг/т) - 16,5 0,262
ДВФ 22 Масса без ХВВ - 25,9 0,652
Ультрафикс Р 127 (1,0 кг/т) - 20,5 0,201
Полиамин ССК (1,0 кг/т) - 13,5 0,182
Динадин CS 537, (3,0 кг/т) - 9,4 0,175
Ультрарез DS 125 Q (3,0 кг/т) - 3,4 0,145
№-КМЦ(2,0 кг/т) - 5,0 0,161
КВФ 40 Масса без ХВВ - 42,9 1,385
Ультрафикс Р 127 (1,0 кг/т) - 42,8 1,020
Полиамин ССК (1,0 кг/т) - 39,5 0,661
Динадин CS 537, (3,0 кг/т) - 37,1 0,568
Ультрарез DS 125 Q (3,0 кг/т) - 30,0 0,353
Na-КМЦ (2,0 кг/т) - 32,2 0,399
Таблица 4 - Влияние последовательной добавки ХВВ (II группа) в макулатурную массу на Ç-потенциал и катионную потребность
Фракция волокнистой массы, степень помола,°ШР Удельный расход ХВВ, кг/т Электро-поверхностные свойства волокнистой массы
Z-потенциал, мВ Фильтрат, КП, мг-экв/л
НФМ 30 Масса без ХВВ - 30,4 1,203
Ультрафикс Р127 (1,5 кг/т) - 28,1 0,696
Динадин CS 537, (6,0 кг/т) - 24,0 0,766
Ультрасайз 200 (5,0 кг/т) - 22,7 0,793
Кат. ПАА (0,5 кг/т) - 21,2 0,848
ДВФ 22 Масса без ХВВ - 30,1 0,644
Ультрафикс Р 127 (1,5 кг/т) - 26,2 0,224
Динадин CS 537, (6,0 кг/т) - 17,7 0,194
Ультрасайз 200 (5,0 кг/т) - 18,4 0,178
Кат. ПАА (0,5 кг/т) - 19,1 0,196
КВФ 40 Масса без ХВВ - 36,7 1,325
Ультрафикс Р 127 (1,5 кг/т) - 36,7 1,325
Динадин CS 537, (6,0 кг/т) - 35,5 1,037
Ультрасайз 200 (5,0 кг/т) - 29,8 0,692
Кат. ПАА (0,5 кг/т) - 28,8 0,705
по эксперименту, таблица 5. Результаты исследований приведены в таблице 6.
Таблица 5 - Влияние последовательной добавки ХВВ (II группа) совместно с Ка-КМЦ в нефрак-ционированную массу*на ^-потенциал и катион-ную потребность
Анализ опытных данных показывает, что II группа, исключительно катионные химикаты, для всех видов массы менее интенсивно понижает ^-потенциал, соответственно, НФМ - 9,2 мВ, ДВФ - 11 мВ, КВФ -7,9 мВ. Уменьшение катионной потребности составляет, соответственно, НФМ -0,355 мг-экв./л, ДВФ - 0,448 мг-экв./л, КВФ - 0,620 мг-экв./л. Если снижение потенциала можно принять, примерно, одинаковым, то способность данной группы химикатов уменьшать катионную потребность растет от НФМ к КВФ.
В исследованиях было целесообразно изучить, как повлияет на ^-потенциал и катионную потребность полная доза (5 кг/т) анионного связующего №-КМЦ. Данные представлены в таблице 5.
Как видно из данных таблицы 5, добавка в массу №-КМЦ оказала то же влияние, что добавка связующего во все виды массы с катионными химикатами группы I. Однако, большая дозировка 5 кг/т, увеличивает ^-потенциал на (-) 4,4 мВ и катионная потребность - на 0,079 мг-экв./л.
Поскольку макулатурная масса с добавленными химикатами идет на изготовление флютинга и тест-лайнера, то не менее важно было исследовать влияние химикатов на физико-механические свойства образцов бумаги. Исследования проведены для группы химикатов II и дополнительно испытано влияние химикатов
Таблица 6 - Экспериментальные данные влияния катионных ХВВ группы II на физико-механические показатели бумаги, массой 125 г/м2
Удельный расход ХВВ, кг/т Электроповерхностные свойства волокнистой массы
Z-потенциал массы, мВ КП фильтрата, мг-экв/л
Масса без ХВВ - 31,7 1,554
Ультрафикс Р 127, 1,5 кг/т - 30,7 0,649
Динадин СБ 537, 6,0 кг/т - 27,3 0,689
Кат. ПАА 0,5 кг/т - 25,4 0,738
Ультрасайз 200, 5 кг/т - 24,7 0,778
Ыа-КМЦ, 5,0 кг/т - 29,1 0,857
*Степень помола нефракционированной массыЗО °ШР.
Вид массы Электроповерхностные и фильтрационные свойства волокнистой массы * Физико-механические показатели отливок массой 125 г/м2
<;-потенциал, мВ Фильтрат, катионная потребность, мг-экв/л Скорость обезво-жива-ния, с Разрывная длина, м Жесткость при растяжении, Н/м Сопротивление про-давливанию, кПа Сопротивле-ниеплоскост-ному сжатию СМТ30, (12,7/15,0) Н Поверхностная впиты-ваемость воды, г/м2
НФМ, 30 °ШР - 30,8 1,405 40,5 3420 390 240 120/122 213
НФМ, 30 °ШР II группа -21,2 0,848 - 4175 520 322 147/179 170
НФМ, 30 °ШР II группа + МаКМЦ -29,1 0,857 - 4160 570 345 140/187 147
ДВФ, 22 °ШР -21,3 1,361 24,0 3180 385 245 112/135 201
ДВФ, 34 °ШР - 25,9 0,652 26,0 4100 455 320 137/154 201
ДВФ, 34 °ШР II группа -19,1 0,196 - 5480 565 469 215/238 147
КВФ, 40 °ШР - 42,9 1,385 54,0 3000 365 201 115/134 203
КВФ, 40 °ШР II группа -29,6 0,783 - 3750 515 295 167/198 134
Анализ данных таблицы 6 позволяет выделить следующие важные закономерности:
а) НФМ макулатурная масса с помолом 30 ШР позволяет получать бумагу с низкими показателями прочности и жесткости; при сравнении с нормами ГОСТ Р 53206-2008 [9] на флютинг, бумага близка, но не соответствует, даже марке Б-3;
б) добавка к НФМ массе полной дозировки химикатов группы II, позволяет значительно повысить все физико-механические показатели - разрывную длину на 22 %, жесткость при растяжении - на 33 %, сопротивление продавливанию - на 34 %, сопротивление плоскостному сжатию, для полоски 12,7 мм - на 22,5 %, для полоски 15,0 мм - на 47 %; с данными показателями бумага отвечает требованиям ГОСТ Р 53206-2008 к мерке Б-3; особенно повышается показатель «абсолютное сопротивление продавливанию, по норме он достигает бумаги марки Б-1.
в) добавка связующего №-КМЦ несколько добавила к показателям, примерно, 2 - 6 %; учитывая существенно высокую дозировку №-КМЦ - 5 кг/т дополнительно к 6 кг/т катионного крахмала Динадин С8 537, дозировка №-КМЦ совместно со всеми катионными химикатами группы II, оказалась не оправданной;
г) размол ДВФ с 22 до 34 °ШР, позволяет получить показатели бумаги, близкие к показателям с добавкой катионных химикатов группы II; эта закономерность подтверждает целесообразность фракционировать массу и значительно полезнее использовать размолотую ДВФ;
д) добавка химикатов группы II в размолотую до 34 °ШР ДВФ, позволяет значительно повысить физико-механические показатели, по сравнению, с массой ДВФ без химикатов: разрывную длину на 37%, жесткость при растяжении - на 24%, сопротивление продавливанию - на 47 %, сопротивление плоскостному сжатию, для полоски 12,7 мм - на 57%, для полоски 15,0 мм - на 55%; показатели соответствуют нормам бумаги Б-2 по ГОСТ Р 53206-2008, а показатель «абсолютное сопротивление продавливанию» соответствует норме на бумагу Б-0;
е) бумага из КВФ, как следовало ожидать, по физико-механическим показателям оказалась самой не прочной; однако, добавка химикатов группы II, значительно повысила показатели: разрывную длину на 25%, жесткость при растяжении - на 41 %, сопротивление продавливанию - на 47 %, сопротивление плоскостному сжатию, для полоски 12,7 мм - на 45 %, для полоски 15,0 мм - на 48 %; повышение показателей позволило достичь требований бумаги марки Б-3 по ГОСТ Р 53206-2008; достигнутые показатели практически соответствуют показателям бумаги Б-3 из НФМ массы.
Установленные закономерности дают основание утверждать, что традиционное применение катионных и анионных ХВВ, путем их последовательной дозировки в НФМ массу, даже в высоком удельном расходе, не отличается ожидаемой эффективностью, ни по достигаемой механической прочности бумаги, ни по уровню расхода химикатов. Ранее, в работе [10], было показано, что гораздо эффективнее фракционирование массы и раздельное использование с предварительной обработкой химическими веществами.
Выводы
1. Показано влияние способа модификации химическими вспомогательными веществами на поверхностные свойства фракционированной макулатурной массы.
2. Установлено влияние способа модификации химическими вспомогательными веществами на катион-ную потребность и фильтрационную способность фракционированной макулатурной массы.
3. Использование раздельной обработки ДВФ и КВФ различными катионными и анионными ХВВ, открывает возможность производить флютинг и тест-лайнер высших марок, соответственно, по ГОСТ Р 53206-2008 и ГОСТ Р 53207-2008.
Литература
1. Е.А. Овсянникова, Д.А. Дулькин, Е.В. Новожилов, Е.А. Овсянникова, В.А. Спиридонов, А.В. Канарский, Вестник Казан. технол. ун-та, 7, 183-187 (2014).
2. А.С. Смолин, В сб.тр. междунар. науч.-практ. конф. Новое в технологии и оборудовании для производства гофрокартона и гофротары. СПб.ГТУРП, СПб., 2007. С. 7-11.
3. Л.Г. Махотина, Э.Л. Аким, сб.тр. междунар. науч.-практ. конф. Современные тенденции в технологии тароупако-вочных видов бумаги и картона. СПб.ГТУРП, СПб., 2007. С. 54-57.
4. ГОСТ 10700-97. Макулатура бумажная и картонная. Технические условия/ Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. -Минск, 1997. -12 с.
5. С.Ю. Кожевников, О.С.Вдовина, И.Н.Ковернинский, Химические продукты и инновации «СКИФ Спешиал Кемикалз» для бумаги и картона, 5, 64-66 (2015).
6. С.Ю. Кожевников, И.Н.Ковернинский, материалы IIIмеждунар. научн. -техн. конф. Развитие производства химических продуктов для бумажно-картонных материалов (19-11 сентября 2015 г.). -Архангельск, 2015.-С.58-63.
7. С.Ю. Кожевников, И.Н.Ковернинский, мат-лы междунар. научн.-техн. конф. Новейшие достижения в области инновационного развития в химической промышленности и производстве строительных материалов (18-20 ноября 2015 г.).- Минск, 2015. -С.309-313.
8. С.Ю. Кожевников, И.Н. Ковернинский, А.В. Канарский, Вестник технол. ун-та, 18, 23, 81-83 (2015).
9. ГОСТ Р 53206-2008. Бумага для гофрирования. Национальный стандарт РФ. Стандартинформ. -М.,2009. -12 с.
10. О.И. Блинушова, В сб.тр. междунар. науч.-практ. конф. Гофрокартон от сырья до печати. СПб.ГТУРП, СПб., 2008. С. 27-30.
© C. Ю. Кожевников, к.т.н., предприятие ООО «СКИФ Спешиал Кемикалз», skif@skif.us; И. Н. Ковернинский, д.т.н., проф., научный консультант, предприятие ООО «СКИФ Спешиал Кемикалз», kovern@list.ru; А. В. Канарский - д.т.н., проф. каф. пищевой инженерия малых предприятий КНИТУ, alb46@mail.ru.
© C. Y. Kozhevnikov, Ph. D., the company LLC "SKIF special chemicals", Department of innovation, program Manager for scientific and technological development,skif@skif.us; 1 N. Koverninskiy, Ph. D., Professor, enterprise LTD "SKIF special chemicals", Department of innovation, scientific Advisor, kovern@list.ru; A. V. Kanarskiy, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Department of food engineering in small enterprises, KNRTU, alb46@mail.ru.
