Современные добавки для повышения влагопрочности бумаги и картона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Основные виды бумаги и картона

2. Сырье для производства бумаги и картона

3. Развитие технологии для производства бумаги и картона

4. Химикаты, улучшающие качество бумаги

5. Способ получения гидрофобной и липофобной бумаги с использованием микрофибриллярных целлюлозных волокон

Список литературы

бумага липофобный картон

Введение

В последний период в бумажное производство все больше вовлекается сырье с полимерными бумагообразующими свойствами. Это бумажная макулатура, древесная масса различных способов получения и целлюлоза из лиственных пород древесины.

В связи с этим поиск новых и правильное использование существующих химических вспомогательных веществ и, прежде всего, связующих, является одной из наиболее актуальных задач.

Помимо связующих, в современном производстве бумаги используется многодругих химических добавок. В частности, для повышения удержания на сетке БДМ волокон и других компонентов бумажной массы, для ускорения обезвоживания бумажной массы, борьбы с пенообразованием и биозагрязнениями, а также придания специальных свойств - влагопрочности, термостойкости, улучшения барьерных и целого ряда других технических характеристик бумаги и картона.

Процесс производства бумаги и картона наряду с совершенствованием его аппаратурного оформления во многом зависит от широкого и правильного применения как существующих, так и новых химических вспомогательных веществ различного назначения.

Существующая технология проклейки бумаги и картона основана на последовательном введении в волокнистую суспензию гидродисперсий модифицированной канифоли (ГМК) и избыточного количества электролита (сульфата алюминия).

Проведенный анализ основных этапов развития теоретических представлений о проклейке бумаги и картона позволил сделать вывод о том, что неразрешенной осталась проблема восстановления проклеивающих свойств коагулюмов за счет обеспечения пептизации коагулятов и последующего перевода процесса проклейки из традиционного режима гомокоагуляции в более эффективный режим гетероадагуляции пептизированных частиц.

1. Основные виды бумаги и картона

Целлюлозно-бумажная промышленность выпускает широкий ас- сортимент бумаги и картона, классификация которых проводится по разным признакам, например по специфическим характеристикам продукции, по целевому назначению, особенностям технологии, потребительскому спросу и т. п.

Область применения бумаги и картона может быть значительно расширена за счет улучшения защитных свойств, при комбинировании их с другими, например, полимерными материалами или фольгой.

В соответствии со стандартной классификацией по ГОСТ 17586-80 бумага подразделяется на 9 видов, одним из которых является оберточная и упаковочная бумага. Этот вид бумаги включает в себя следующие подвиды: антикоррозионная, графитная, бандерольная, для упаковки продуктов на автоматах, мешочная, крепированная, для упаковки папирос и сигарет, прокладочная, светонепроницаемая для кинофотоматериалов, жиронепроницаемая, биостойкая, битумированная, двухслойная упаковочная, оберточная, растительный пергамент, пергамин, под пергамент.

Для изготовления упаковки также применяется бумага из группы печатной бумаги -- этикеточная. Для производства упаковки используют группу тароупаковочного картона, в состав которой входят следующие подвиды: картон тароупаковочный, в том числе картон для плоских слоев гофрированного картона, бумага для гофрирования, картон для потребительской тары: хромовый, хромэрзац, коробочный; тароупаковочный прочий: спичечный, основа для склеенного картона, водонепрницаемый, для упаковки мебели. Согласно принятым во многих странах стандартам, бумага и картон отличаются друг от друга массой одного квадратного метра. Однако такое определение различий между бумагой и картоном не точное. Большое значение имеют также толщина и плотность картона.

Для производства бумаги и картона используются одни и те же компоненты. Схожи и процессы изготовления этих материалов. Поэтому вначале рассмотрим общие для обоих материалов сведения.

2. Сырье для производства бумаги и картона

Основным компонентом бумаги и картона служат растительные волокна, полученные из древесины различных пород, стеблей и некоторых других частей однолетних растений. Главный компонент растительных волокон -- целлюлоза, обладающая всеми необходимыми для производства бумаги свойствами: высокой молекулярной массой, линейным строением молекул, фибриллярной структурой волокна, высокой прочностью и стойкостью к различным химическим реагентам и температуре, гидрофильностью. Большое значение для бумажного производства имеет способность целлюлозы образовывать связи между волокнами, что позволяет получать достаточно прочную, однородную по структуре бумагу без использования специальных связывающих компонентов.

При выборе источников сырья учитывают химический состав сопутствующих компонентов, длину и массу волокна, способность к размолу и отбелке.

Компонентом, отрицательно влияющим на свойства бумаги, является лигнин. Он входит в состав любой одревесневевшей растительной клетки. Лигнин делает растительные волокна жесткими и хрупкими. Они плохо переплетаются, поэтому бумага из таких волокон получается рыхлая, шероховатая, с малой прочностью. Лигнин легко окисляется, из-за чего бумага, его содержащая, желтеет под воздействием света. Поэтому для изготовления качественной бумаги выбирают те волокна, которые содержат минимальное количество этого компонента.

3. Развитие технологии для производства бумаги и картона

Мировое производство бумаги и картона в 2005 году превысило 450 млн тонн в год, при этом средние темпы роста составили 2,2% в год.

Опережающими темпами развивается выпуск писче-печатных видов бумаги:

мелованная бумага из 100%-ной целлюлозы ? 4,3%;

мелованная бумага с содержанием механической древесной массы ? 3,6%;

немелованная бумага из 100%-ной целлюлозы ? 3,4%;

санитарно-гигиенические виды бумаги ? 3,2%;

гофрированный и коробочный картон ? по 3,0% в год каждый.

В ближайшие годы планируется снижение спроса на газетную бумагу ? 1,9%, немелованную печатную бумагу с содержанием механической древесной массы (МДМ) ? 2,1%, мешочную бумагу ? 1% в год. В целом для мировой бумажной промышленности характерно стабильное увеличение объемов производства бумаги и картона, в основном за счет использования вторичного волокнистого сырья ? макулатуры.

В структуре производства писче-печатных видов бумаги заметно увеличилось производство легкомелованной (LWC) и суперкаландрированной (SC) бумаги, полученных с использованием в композиции МДМ и макулатурной массы, что снижает ее стоимость, а современные методы мелования и каландрирования обеспечивают достаточно высокие печатные и другие потребительские свойства.

Основными тенденциями развития бумажного производства являются:

расширение применения химических реагентов;

рост использования вторичного волокнистого сырья;

повышение скорости работы бумагоделательных машин (БДМ);

интегрирование процессов отделки бумажного полотна в составные части БДМ;

повышение производительности однопоточных линий при сокращении удельных капитальных затрат.

Существует два направления развития технологии бумаги и картона: использование химических реагентов и совершенствование конструкции основного технологического оборудования.

4. Химикаты, улучшающие качество бумаги

Химикаты, упрочняющие бумагу в сухом состоянии. Такие вещества используют для компенсации снижения прочности бумаги при введении наполнителей и/или добавлении низкокачественного волокна, например вторичного. В качестве таких веществ обычно применяют различные виды крахмала.

Природные крахмалы имеют низкое сродство целлюлозным волокнам и в последние годы практически не применяются. Сегодня в производстве бумаги используются модифицированные крахмалы, химически обработанные с целью изменения вязкости, стабильности или ионной природы.

При добавлении в бумажную массу крахмала с катионным зарядом его молекулы притягиваются к отрицательно заряженным волокнам и наполнителям. Катионный крахмал не только удерживается на поверхности волокон, но и снижает дзета-потенциал композиции, устанавливает связи между волокнами, мелочью и наполнителем, способствует флокуляции и улучшает первичное удержание и удержание наполнителей.

Положительное действие катионного крахмала сказывается на работе БДМ в целом: улучшаются условия обезвоживания и прессования бумажного полотна, что позволяет повысить скорость машины и стабильность ее работы.

Вещества для придания влагопрочности. Влагопрочность ? это способность сохранять свойства бумаги во влажном состоянии. Влагопрочной может быть названа бумага, у которой разрывная длина во влажном состоянии составляет не менее 30% от ее разрывной длины в сухом состоянии.

Смолы влагопрочности применяются только для некоторых видов бумаги, выпускаемых в количестве 4?5% от общего объема бумажной продукции. В первую очередь, это санитарно-гигиенические виды бумаги, кроме туалетной, и упаковочные виды, такие как бумажные мешки, сумки, картон для упаковки молочных продуктов, оберточная бумага для замороженных продуктов и пр. В композицию специальных видов бумаги ? бумаги для этикеток, покровных слоев обоев, картографической бумаги, фильтровальной, фотографической, банкнотной и пр. ? также добавляют смолы влагопрочности.

В качестве смол влагопрочности обычно используют формальдегидные (мочевиноформальдегидные и меламиноформальдегидные) и полиамидаминэпихлоргидридные смолы. В особых случаях применяют полиэтиленимин, диальдегид крахмала, полиакриламид с глиоксалевой составляющей и др.

Проклеивающие вещества. Известно, что классическим способом проклейки для различных видов бумаги является канифольная проклейка, при которой смоляные кислоты реагируют с квасцами с образованием гидрофобного резината алюминия. Ранее применяли натриевые соли смоляных кислот, позднее ? модифицированные дисперсии канифоли, которые используются и сейчас. Однако проклейка в кислой среде имеет ряд недостатков, во-первых, из-за нестабильности при старении бумаги, во-вторых, в кислой среде невозможно использовать карбонат кальция, обладающий высокой белизной.

В настоящее время в Европе более 98% всей мелованной и немелованной бумаги без содержания МДМ проклеивают в слабощелочной среде: величина рН среды ? 7,0?8,5. В США, где проклейку в щелочной среде начали использовать только около 20 лет назад, сейчас 85% бумаги без МДМ производится таким образом.

Однако для отдельных видов упаковочного картона канифольная проклейка все еще необходима, также как и для недостаточно промытой небеленой СФИ целлюлозы.

При щелочной проклейке обычно применяют проклеивающие реагенты ? димер алкилкетена (AKД) или ангидрид алкенилянтарной кислоты (АSA-AЯА). Эти химикаты вступают в реакцию с гидроксильными группами целлюлозных волокон, в результате достигается хороший проклеивающий эффект.

Переход на проклейку в щелочной среде требует обеспечения стабильности работы БДМ и, особенно, эффективности химикатов для удержания. Нестабильное и/или низкое удержание приводит к гидролизу проклеивающих веществ вследствие большего времени их пребывания в системе. Продукты такого гидролиза легко образуют отложения на частях БДМ, что снижает эффективность производства.

Минеральные компоненты. Первоначальной целью добавки наполнителя в структуру бумаги было уменьшение стоимости композиции, и количество вводимого наполнителя ограничивалось только прочностью полотна. В настоящее время наполнители вводят для улучшения специфических характеристик бумаги, таких как оптические, физические и эстетические.

Введение наполнителя в композицию позволяет:

· улучшить формование полотна, заполнением пустот между волокнами;

· обеспечить более ровную поверхность;

· увеличить непрозрачность и белизну;

· повысить гладкость, что обеспечивает хорошее воспроизведение текста и рисунков;

· улучшить печатные свойства за счет получения более ровной и однородной поверхности, большей непрозрачности, улучшения красковосприятия с уменьшением проникновения краски на обратную сторону листа, увеличения контрастности изображения и равномерности печати;

· сохранять стабильность размеров бумаги;

· уменьшить себестоимость бумаги за счет замены дорогостоящего волокна более дешевым наполнителем;

· снизить загрязненность оборотной воды растворенными органическими веществами из-за частичной адсорбции их наполнителем;

· экономить пар при сушке бумаги.

В качестве наполнителя обычно используют каолин, однако в конце 70_х годов прошлого века начали применять природный карбонат кальция (GСС), а в 80_е годы ? химически осажденный карбонат кальция (РСС). Структура потребления минеральных компонентов для производства бумаги в мире представлена в таблице 1.

Увеличению доли карбоната кальция в общемировом потреблении минеральных компонентов в бумажном производстве способствовал переход к технологии производства бумаги в нейтральной среде. В 2001 году его доля составила 14 млн тонн, или 56% от общего объема потребления минеральных веществ.

Основные преимущества карбоната кальция:

· меньшая стоимость природных карбонатов по сравнению с каолином;

· высокая белизна;

· получение более прочной и долговечной бумаги вследствие обеспечения необходимого щелочного резерва, предохраняющего бумагу от воздействия веществ атмосферы с кислотными свойствами;

· легкое обезвоживание бумажного полотна благодаря более округлой форме частиц карбоната по сравнению с пластинчатыми частицами каолина;

· более высокие печатные свойства бумаги (по сравнению с каолином) при офсетном способе печати.

При среднегодовом росте производства бумаги 2,3% в период с 2002 по 2007 год предполагается рост потребления карбоната кальция 5,5% в год, или на 4,4 млн тонн за указанный период. В то же время рост потребления каолина ожидается на уровне 1,7% в год, или 0,3 млн тонн.

5. Способ получения гидрофобной и липофобной бумаги с использованием микрофибриллярных целлюлозных волокон

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано в производстве бумаги, в частности гидро- и липофобной бумаги.

Известна водоотталкивающая бумага, содержащая гидрофобный цеолит. Водоотталкивающая бумага может быть в виде бумаги, картона или ламинированного слоистого материала. Также известен способ производства водоотталкивающей бумаги путем формирования и обезвоживания суспензии волокон, содержащих лигноцеллюлозу, причем обезвоживание выполняется в присутствии гидрофобного цеолита. Благодаря инертности цеолита, он может использоваться при производстве бумаги в очень широком диапазоне pH. Изобретение также относится к использованию гидрофобного цеолита для производства водоотталкивающей бумаги, а также к использованию бумаги с указанными водоотталкивающими свойствами как упаковочного материала (патент RU 92004323, опубл. 20.10.1996). Использование гидрофобного цеолита способствует уменьшению переноса от упаковки к ее содержимому веществ, вызывающих появление нежелательного привкуса и/или опасных веществ, но не оказывает влияние на липофобные свойства бумаги.

Известен способ проклеивания целлюлозных волокон путем добавления в их дисперсию водной проклеивающей дисперсии, содержащей в качестве проклеивающего вещества димер алкилкетена (АКД) при его расходе от 0,01 до 1,0 мас. % в расчете на сухую массу целлюлозных волокон (RU 2177521, опубл. 27.12.2001). При изготовлении водной проклеивающей дисперсии в качестве диспергатора используют натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ) в количестве от 100 мас. % и ниже от массы АКД, или до 1% в расчете на сухую массу целлюлозных волокон. Способ позволяет получать бумагу, обладающую гидрофобными свойствами, однако он не обеспечивает придания бумаге липофобных свойств.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату в части способа является способ получения бумажной массы для изготовления бумаги, содержащей лиственную и хвойную целлюлозу, проклеивающее вещество, натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, отличающейся тем, что дополнительно содержит микрофибриллированные волокна, целлюлоза имеет степень помола 33-45°ШР, а в качестве проклеивающего вещества масса содержит димер алкилкетена (патент RU 2471032, опубл. 27.12.2012). Изобретение позволяет повысить прочность бумаги, однако не обладает другими заявленными в настоящем изобретении свойствами.

Задачей изобретения является разработка способа получения образцов бумаги, обладающей гидрофобными и липофобными свойствами, высокими прочностными характеристиками, пластичностью, с использованием микрофибриллярных целлюлозных волокон, при использовании низкотоксичных реагентов в минимальном объеме, с возможностью масштабируемости и снижения себестоимости производства.

Технический результат изобретения заключается в улучшении качества готового продукта, обладающего высокой степенью гидро- и липофобности, высокими прочностными характеристиками, имеющего широкое применение в бумажной промышленности, при производстве упаковочных материалов, в том числе для масложировых пищевых продуктов.

Способ осуществляют следующим образом.

В предварительно подготовленное сырье добавляют воду при температуре 16-25°C до получения волокнистой суспензии с массовой концентрацией 6%. Размол целлюлозы осуществляют на аппарате ЦРА при частоте вращения 150±3 об/мин в течение 10-25 минут до получения степени помола целлюлозы 33-35°ШР.

В бумажную массу из размолотой сульфатной хвойной и сульфатной лиственной целлюлозы при их соотношении 1:1 добавляют микрокристаллическую целлюлозу, полученную из растительного сырья негидролизным способом согласно изобретению по патенту RU 2501325, опубл. 20.12.2013, в виде гидрогеля, содержащего 3% абсолютно сухого вещества, в количестве 5% к абсолютно сухому волокну бумажной массы. Далее вводят реагенты, обеспечивающие бумаге гидрофобность: АКД в количестве 0,05-0,15% и полиамидполиаминэпихлоргидриновую смолу (ППЭ) в количестве 0,05-0,10% по абсолютно сухому веществу к абсолютно сухому волокну бумажной массы.

Лабораторные опытные образцы бумаги массой 1 м2 75 г изготавливают на листоотливном аппарате Рапид-Кетен при pH бумажной массы 7,8-8,0.

Полученные лабораторные образцы бумаги испытывают по следующим показателям: капиллярная впитываемость воды за 10 минут при температуре 23±1°C, капиллярная впитываемость жидких растительных жиров за 10 минут при температуре 23±1°C, прочность на излом, воздухопроницаемость, относительное удлинение при растяжении, жиропроницаемость по трансформаторному маслу. В качестве испытательных жидкостей используют дистиллированную воду и масло подсолнечное нерафинированное «Слобода». Сравнительные данные по результатам испытаний приведены в Таблице 1.

Из данных таблицы видно, что введение в бумажную массу гидрогеля МКЦ в сочетании с АКД и смолой ППЭ придает бумаге повышенную прочность, снижается воздухопроницаемость из-за уменьшения пористости в 1,5-2 раза, кроме того, повышается пластичность, обеспечивается нулевой уровень капиллярной впитываемости жидких жиров, повышается уровень гидро-липофобности бумаги.

Способ получения гидрофобной и липофобной бумаги с использованием микрофибриллярных целлюлозных волокон, включающий предварительную подготовку сырья из хвойной и лиственной целлюлозы, взятых в соотношении 1:1, приготовление бумажной массы путем добавления в предварительно подготовленное сырье воды температурой 16-25°C, предпочтительно 16-20°C, до получения волокнистой суспензии с массовой концентрацией 6%, размол полученной суспензии на аппарате ЦРА при частоте вращения 147-153 об/мин, оптимально 150 об/мин, до получения целлюлозы со степенью помола 33-35°ШР, составление композиции путем добавления в полученную бумажную массу микрокристаллической целлюлозы, полученной из растительного сырья, предпочтительно жома сахарной свеклы, негидролизным способом, в виде гидрогеля, содержащего 3% абсолютно сухого вещества, в количестве 5% к абсолютно сухому волокну бумажной массы, введения димера алкилкетена в количестве 0,05-0,15% по абсолютно сухому веществу к абсолютно сухому волокну бумажной массы и полиамидполиаминэпихлоргидриновой смолы в количестве 0,05-0,10% по абсолютно сухому веществу к абсолютно сухому волокну бумажной массы, изготовление образцов бумаги на листоотливном аппарате при pH бумажной массы 7,8-8,0.

Список литературы

Технология целлюлозно-бумажного производства : в 3 т. / Производство бумаги и картона; Ч. 1. Технология производства и обработки бумаги и картона. -- СПб. : Политехника, 2005. -- 423 с.

Материалы упаковочного производства : учеб. пособие / Е.Д. Климова; Моск. гос. ун-т печати. -- М. : МГУП, 2010. -- 154 с.

Пинчукова К. В., Корниенко Н. Д. Анализ эффективности гидрофобизации бумажной упаковки модифицированными формами крахмала // Молодой ученый. -- 2015. -- №14. -- С. 174-176.

Чупрова Л.В., Мишурина О.А., Муллина Э.Р., Ершова О.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КАЧЕСТВА ИСХОДНОГО СЫРЬЯ И КЛЕЯЩИХ СОСТАВОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА УПАКОВОЧНОГО ГОФРОКАРТОНА // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 1-1.;

URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=18955 (дата обращения: 16.10.2016).

Осипов П.В. Технология и механизмы упрочнения внутренней структуры бумаги и картона [Текст] /Осипов П.В.// Сб.МНТК ”Новое в химии бумажно-картонного производства и полиграфии”,СПб.,16-18.05.2006.-C.18 - 23.

Осипов Павел Васильевич. Эффективное использование химических вспомогательных веществ в производстве бумаги и картона 05.21.03- технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.

Размещено на Allbest.ru