Спосіб виготовлення волокнистого матеріалу, переважно таропакувального

Спосіб виготовлення волокнистого матеріалу, переважно таропакувального, що включає приго 3 шуються приблизно за законом прямої лінії. При цьому найбільше зменшується міцність паперу й картону на злам. Велика кількість наповнювача або пігменту у волокнистому матеріалі, будь-то папір або картон, призводить до його різнобічності. Різнобічність - цей дефект полягає в тім, що сіткова й лицьова сторони аркуша паперу мають у тому числі різну вбирну здатність, а іноді й ступінь проклеювання. Причина зазначеного дефекту полягає в нерівномірному розподілі мінерального наповнювача, клейових часток і дрібного волокна в товщі паперового аркуша. Верхня сторона паперового аркуша містить більше наповнювача й дрібного волокна, ніж нижня, звідки дрібні волокна відсмоктуються на регістрових валиках і відсмоктувальних ящиках. Наповнювачі в папері утримується як чисто механічно - при фільтрації через волокнистий фільтр затримуються частки, розміри яких більші за розміри пор, так і внаслідок колоїдно-хімічних процесів, що включають явища адсорбції часток наповнювача волокном, перезарядження або зниження їхнього електричного потенціалу, а також флокуляції й агрегації часток. Механізм утримання мінерального наповнювача в папері залежить у тому числі від розміру часток наповнювача. Великі частки наповнювача в основному утримуються механічно в процесі фільтрації крізь волокнистий шар під час утворення паперового полотна, а дрібні частки - за рахунок адсорбції й флокуляції часток. Підвищення утримання наповнювачів - щоб можливо більша кількість наповнювача затримувалося в структурі паперу. Ефективність від підвищення утримання наповнювача полягає насамперед у скороченні його питомої витрати на вироблення паперу й витрат на уловлювання наповнювача зі стічних вод виробництва паперу. Зменшення кількості наповнювача в стічній воді одночасно сприяє поліпшенню екологічної обстановки навколишнього середовища. Підвищення ступеня млива вихідної маси призводить до збільшення опору шару маси на сітці проходженню крізь нього часток наповнювача, що сприяє їхньому утриманню в цьому шарі. Разом з тим створення умов, що збільшують адсорбцію часток наповнювача на волокнах, також сприяє їхньому утриманню. Мінеральні пігменти не мають спорідненості до целюлози, їх частки у водному середовищі, як і волокна целюлози, заряджені негативно, внаслідок чого вони взаємно відштовхуються й пігмент не адсорбується лігноцелюлозним волокном. Для того, щоб перезарядити частки пігменту або хоча б знизити їх заряд, щоб перебороти сили відштовхування між волокном і наповнювачем, у паперову масу вводять сірчанокислий алюміній або іншу алюмінієву сіль і створюють оптимальний рН маси. При цьому знижується негативний потенціал як целюлози, так і пігменту, й навіть перезаряджаються його частки, здобуваючи позитивний заряд, і адсорбуються волокном. Завдяки адсорбції краще утримуються тонкодисперсні пігменти й фракції пігментів з розмірами часток менше 1 мкм. 45690 4 Для адсорбційного утримання пігментів необхідно не тільки зниження негативного потенціалу часток пігменту й целюлози, але й наявність алюмінію у формі комплексного полімерного іона. Такий іон краще адсорбується на поверхні пігменту й целюлози і, маючи координуючу дію стосовно речовин аніонного типу, сприяє утриманню пігменту на лігноцелюлозному волокні. Відоме використання модифікації мінеральних пігментів з метою зниження негативного впливу на сили зв'язку між волокнами. У результаті обробки пігменту катіонними полімерами виникають такі явища: - знижується заряд часток пігменту в суспензії, внаслідок чого зменшуються сили відштовхування між частками пігменту й целюлозних волокон; - з'являються зкоагульовані мікрочастинки, які сприяють утворенню збільшених часток, що призводить до руйнування їхньої гідратної оболонки, яка перешкоджає утворенню зв'язку між волокнами; - частки пігменту, що адсорбували на своїй поверхні катіоніт з активними групами, сприяють збільшенню міжволокневих сил зв'язку. Для модифікації мінеральних наповнювачів і пігментів використовують такі гідрофільні полімери, як крохмаль і його похідні, альгінат натрію, повністю гідролізовані акрилові полімери. Для коагуляції полімерів з осадженням їх на частках наповнювача й пігменту використовують галун, хлорид кальцію, буру, гліоксаль. Відомо також модифікування наповнювачів за допомогою комбінацій аніонного й катіонного полімерів, зокрема катіонного й аніонного крохмалів. Для закріплення полімерів використовують гліоксаль [пат. № 1347071, Великобританія, МПК D21H17/69; D21H19/38; Заявл. 01.07.1971, Опубл. 13. 02.1974]. Однак при обробці наповнювача катіонними речовинами часто спостерігається різке підвищення в'язкості суспензії, що викликає технологічні ускладнення. Ці явища зазвичай пояснюють нейтралізацією дзета-потенціалу часток і різким зниженням стійкості суспензії наповнювача й пігменту. Як міри боротьби із цими небажаними явищами пропонується знижувати концентрацію суспензії наповнювача, а також використовувати захисні колоїди й диспергатори, однак це призводить до збільшення витрат на виробництво волокнистого матеріалу й ускладнення технологічного процесу. Одним з видів мінеральних наповнювачів і пігментів є різновиди глин: бентоніт, цеоліт, умбра, каолін тощо. Каолін, або біла глина, за своїм хімічним складом являє собою комплексну алюмокремнієву кислоту складу Al2O3 × SiO2 × 2H2O і містить 39,6% окису алюмінію, 46,5% окису кремнію і 13,9% гідратної води. Відомий спосіб виготовлення волокнистого матеріалу - паперу, відповідно до якого в композицію (у волокнисту масу) вводять до 10 % каоліну [Фляте Д. М., Логинов О. А. Использование модифицированного наполнителя в производстве газетной бумаги. - В экспресс.-информ.: Отеч. произв. опыт. - Целлюлоза. Бумага. Картон. Вып. 2). - М.: 5 ВНИПИЭИлеспром, 1987, с. 5-9]. При цьому у волокнисту масу вводять каолін, який попередньо модифікований силікатним клеєм. Відомо, що величина зерен каоліну змінюється звичайно в межах 0,1-40 мкм, при цьому превалюють фракції каоліну з величиною зерен 0,5-5 мкм. Введення такого наповнювача призводить до підвищення показників міцності на злам, опору продавлюванню, але при цьому зменшується розривна довжина паперу. Таким чином, у комплексі властивостей волокнистого матеріалу відсутня головна складова - опір розриву. Відомо, що для модифікування каоліну, а також одночасної обробки каоліну (до 0,02 %) і волокон (0,2-0,3 %) використовують аніонний поліакриламід (ПАА). При цьому відомо, що добавка ПАА до каоліну в кількості більше 0,05 % призводить до сильної флокуляції аж до утворення гранул. Для усунення цього явища вводять поверхнево-активні речовини [Лапин В. В., Капанчан А. Т. и др. Повышение зольности бумаги без снижения ее прочности. Бумажная промышленность. 1981, № 2. - С.46], [Хойецян Е. А., Капанчан А. Т., Лапин В. В. и др. Высокозольная бумага для глубокой печати. Бумажная промышленность, 1981, № 3. - С. 21-22.] При цьому ускладнюється технологічний процес і збільшуються витрати на виробництво волокнистого матеріалу. Підвищення утримання на сітці папероробної машини дрібних волокон і часток пігменту при введенні ПАА пояснюється агломерацією зазначених компонентів волокнистої маси внаслідок нейтралізації негативного заряду целюлозних волокон і мінерального пігменту. Існує також думка про наявність водневого або іншого зв'язку між полімером, що вводиться, і волокнами целюлози. Відомо також, що використовують каолін, модифікований алюмінатом натрію, а також цей же каолін з одночасним використанням алюмінату натрію й ПАА. Можливо, під час контакту суспензії каоліну з розчином алюмінату натрію катіони алюмінію адсорбуються на поверхні часток каоліну, завдяки чому збільшується кількість активних центрів, за якими може відбуватися координаційне зв'язування часток каоліну полімеризованими молекулами гідроксиду алюмінію, а через них і з волокнами целюлози. Алюмінат натрію також сприяє підвищенню утримання мінерального наповнювача в папері. Його застосовують часто разом із сірчанокислим алюмінієм у співвідношенні від 1:8 до 1:4. При цьому сірчанокислий алюміній вводять у паперову масу в масний басейн або в якому-небудь іншому місці, відносно далеко розташованому від напускного пристрою, а алюмінат натрію - безпосередньо перед напускним пристроєм. Однак, модифікований каолін для виготовлення паперу повинен бути використаний не пізніше ніж через 24 години після проведення процесу модифікації, що також ускладнює технологічний процес. Відомий спосіб виготовлення волокнистого матеріалу з використанням пігменту двоокису титану (10-30мас.%) і сульфату алюмінію (до 4мас.%) або алюмінату натрію як коагулянту [Тру 45690 6 хтенкова Н. Е. Исследование удержания пигментной двуокиси титана в бумаге. - Бумажная промышленность, 1981, № 12. - С. 15-17.]. При цьому встановлено, що найбільш ефективно використовувати як коагулянт алюмінат натрію. Пігмент двоокис титану має високу дисперсність, розмір часток становить близько 0,3 мкм. Застосування такого поєднання реагентів призводить до збільшення утримання пігменту у волокнистому матеріалі, однак при цьому механічна міцність волокнистого матеріалу знижується. Крім того, двоокис титану є дуже дорогим пігментом і при виготовленні таропакувальних видів волокнистих напівфабрикатів його використовувати недоцільно. Відомий спосіб виготовлення волокнистого матеріалу із введенням у композицію лігноцелюлозного волокна пігменту двоокису титану, який включає подальше формування полотна волокнистого матеріалу і його сушіння [Васильєва Е. И., Трухтенкова Н. Е., Резникова Т. П. Исследование удержания двуокиси титана и красного железоокисного пигмента в нейтральной и слабощелочной средах. - В кн.: Исследования в области химии и технологии производства бумаги и картона. Сборник трудов /ВНИИБ. Вып. 69, м.: Лесная промышленность, с. 34-41]. Згаданий спосіб обраний нами за найближчий аналог як найбільш близький за призначенням і технічною сутністю. У найближчому аналозі у волокнистий матеріал - папір для декоративного шару облицювальних матеріалів - уводять до 19мас.% двоокису титану. Як коагулянт використовують сірчанокислий алюміній і алюмінат натрію за витрати чистого сірчанокислого алюмінію 1,0-2,0мас.% або за співвідношення алюмінію в солях Al2(SO4)3/NaAl2 від 90:10 до 30/70. Введення двоокису титану в найближчому аналозі призводить до підвищення показників повітропроникності й вбирної здатності, оскільки частки пігменту роз'єднують волокна й знижують міжволокневі сили зв'язку у волокнистому матеріалі, що призводить до підвищення пористості, вбирної здатності й м'якості паперу й зменшенню такого показника міцності, як руйнівне зусилля. Завданням корисної моделі є підвищення механічної міцності волокнистого таропакувального матеріалу при введенні в його склад пігменту при одночасному досягненні необхідного комплексу інших фізико-механічних показників. Додатковим технічним результатом є зниження смоляних ускладнень у виробництві волокнистих матеріалів з макулатури. Поставлене завдання вирішується тим, що в способі виготовлення волокнистого матеріалу, переважно таропакувального, що включає приготування волокнистої маси на основі лігноцелюлозного волокна, введення у волокнисту масу пігменту й коагулянту, наступне формування полотна волокнистого матеріалу і його сушіння, відповідно до корисної моделі як пігмент використовують речовину, вибрану з ряду: умбра, охра, сапоніт, силевіт з розміром часток 0,1-20мкм у кількості 0,10,5мас.% до маси абсолютно сухого волокна, а як коагулянт використовують гідроксіхлорид алюмі 7 нію в кількості 0,5-1,0 мас. % до маси абсолютно сухого волокна. Умбра складається із глини, забарвленої окислами марганцю й заліза. Сира умбра містить 714% Мn2О3, 25-35% Fe2O3, 7-14% Аl2О3, 20-30% SiO2, 4-8% СаСО3 і 10-17% Н2О. Ці складові частини зазвичай сполучені одна з одною у вигляді різних силікатів - водного кремнекислого окису заліза й кремнекислого окису марганцю. Охра - речовина, що складається головним чином із глин, багатих окисами: Fe2O3, МnО2 і гідратами окисів Fe(OH)3, Mn(OH)2. До складу охри входять у різних співвідношеннях глини й гідрати окису заліза (алюмо- і феррокремнієві кислоти, а також міститься вапно, магнезія, марганець, фосфор, сірка тощо). Сапоніт - мінерал з підкласу шаруватих силікатів, групи монтморилоніту; хімічний склад NaMg3[AISi3O10](OH)2x4H2O. У вигляді ізоморфної домішки містить Fe, іноді Сr, а також Ni, Zn, Cu, Li тощо. Силевіт - макропористий твердий адсорбент з поверхнево-активними функціональними групами. Хімічний склад силевіту такий: SiO2 - 66,0%; Аl2О3 18,0%; MgO - 12,0%; Н2О - 4,0%. Невеликий вміст тонкодисперсного пігменту умбри, охри, сапоніту, силевіту у волокнистому матеріалі (у межах зольності 2-4%) не тільки не знижує його механічної міцності, але навпаки, підвищує, тому що при цьому поліпшуються просвіт і структура волокнистого матеріалу. Можливо, введення тонкодисперсних пігментів, частки яких мають розмір менший, ніж діаметр пор волокнистого матеріалу, не сприяє подальшому підвищенню пористості волокнистого матеріалу. Частки такого пігменту, заповнюючи широкі пори волокнистого матеріалу, заповнюють їх, зменшуючи загальну пористість матеріалу. У зв'язку із цим у волокнистому матеріалі не зменшується кількість зв'язків волокно-волокно, зберігається кількість водневих зв'язків між волокнами й механічна міцність волокнистого матеріалу зростає. На поверхні розподілу фаз пігменту та органічної речовини, яка має поверхневі активні молекули, можливе утворення реакційних зв'язків між ними. Цей зв'язок та його обсяг залежить від питомої поверхні самого пігменту (тобто його дисперсності), а також рівня наявних поверхневоактивних молекул, наприклад, гідроксилів, на поверхні органічної речовини. Функціональні групи з'єднуються адсорбційним зв'язком з активними центрами пігментів, утворюючи перехідні ланцюжки, зміцнюючи загалом всю структуру за рахунок адсорбційної оболонки кожної часточки пігменту. Адсорбція частинок пігменту на волокнах може виникати за рахунок сил Ван-дер-Ваальса (фізична адсорбція) або хемосорбції, при якій активні центри поверхневого шару пігменту водневими зв'язками можуть зв'язуватися з гідроксильними або карбоксильними целюлозними групами з утворенням молекулярних комплексів. Рівень цих зв'язків, в першу чергу, залежить від витрат пігменту та адсорбційних властивостей його частинок. Ймовірно, що при веденні у волокнисту масу тонкодисперсного пігменту з гідроксіхлоридом 45690 8 алюмінію (Аl2(ОН)nСl6-n) як коагулянту розвивається і механізм зміцнення волокнистого матеріалу під дією гідроксидів алюмінію, який базується на концепції координаційної взаємодії поліядерних комплексів алюмінію з гідроксильними групами целюлози. Активна роль механічного утримання гідроксиду алюмінію в процесах формування міцності паперу доводить, що здатність до координаційної взаємодії із целюлозою властива гідроксиду не тільки в момент його утворення, але й пізніше, на стадіях пресування й сушіння паперового полотна. Гідроксиди алюмінію мають здатність до утворення структур типу целюлоза-гідроксидцелюлоза. Целюлоза має здатність до координаційної взаємодії з алюмінієм через ОН-групи, що розташовані на поверхні волокон. Ефективність гідроксидів алюмінію як зв'язуючих целюлозних волокон максимальна, якщо їхнє утворення відбувається в контакті із целюлозою. Тонкодисперсний пігмент, введений до волокнистого матеріалу у невеликій кількості, не знижує ступінь проклеювання волокнистого матеріалу. За умови введення пігменту за корисною моделлю підвищується також щільність волокнистого матеріалу. Наявність тонкодисперсного пігменту у волокнистій масі знижує утворення плям смоли в папері, а також засмолювання устаткування й одягу папероробної машини. Часточки пігменту адсорбують дрібні часточки смоли й перешкоджають їхній агломерації в більші комплекси. Наявність умбри в технологічному потоці паперової маси також поліпшує текучість маси й знижує потужність, яка потрібна для перемішування маси в мішальних басейнах. Корисна модель ілюструється наступними прикладами. Приклад 1. Лабораторні зразки пакувального паперу виготовляють у такий спосіб. Розпускають макулатуру марок МС-5 Б, МС-7 Б і розмелюють отриману волокнисту масу на основі лігноцелюлозного волокна до ступеня млива 32-35°ШР (градусів Шоппер-Риглера). У розмелену масу вводять 0,2мас.% умбри з розміром часток 0,2-6,0мкм і як коагулянт поліоксихлорид алюмінію торговельної марки Полвак у кількості 0,5мас.% до маси абсолютно сухого волокна. Волокнисту масу перемішують і виготовляють пакувальний папір за традиційною технологією, здійснюючи формування і сушіння лабораторних зразків пакувального паперу на листовідливному апараті. Проводять фізикомеханічні випробування лабораторних зразків паперу за нормативно-технічною документацією, що прийнята в целюлозно-паперовій промисловості. Результати випробувань представлені в таблиці. Приклад 2. Виготовляють лабораторні зразки пакувального паперу за прикладом 1, але при цьому у волокнисту масу вводять 0,3мас.% умбри. Приклад 3. Виготовляють лабораторні зразки пакувального паперу за прикладом 1, але при цьому у волокнисту масу вводять 0,4мас.% охри. Приклад 4. Лабораторні зразки паперу для гофрування виготовляють у такий спосіб. Розпускають макулатуру марок МС-5 Б і розмелюють воло 9 45690 книсту масу до ступеня млива 34-36°ШР. У розмелену масу вводять 0,2мас.% умбри з розміром часток 0,2-6,0мкм і як коагулянт поліоксихлорид алюмінію торговельної марки Полвак у кількості 1,0мас.% до маси абсолютно сухого волокна. Волокнисту масу перемішують і виготовляють на листовідливному апараті лабораторні зразки паперу для гофрування. Проводять фізико-механічні випробування лабораторних зразків паперу за нормативнотехнічною документацією, що прийнята в целюлозно-паперовій промисловості. Приклад 5. Папір для гофрування виготовляють у виробничих умовах ТОВ «Моквинська паперова фабрика» в такий спосіб. Макулатуру марки МС-5 Б розпускають у промисловому гідророзбивачі й отриману масу розмелюють до ступеня млива 32-35°ШР. У розмелену волокнисту масу вводять 0,25% умбри і як коагулянт поліоксихлорид алюмінію торговельної марки Полвак у кількості 0,5мас.% до маси абсолютно сухого волокна. Папір для гофрування виготовляють на папероробній машині традиційним чином. Визначають фізико-механічні показники паперу по нормативнотехнічній документації, що прийнята в целюлознопаперовій промисловості. Приклад 6. Лабораторні зразки паперу для гофрування виготовляють у такий спосіб. Розпускають макулатуру марок МС-5 Б і розмелюють волокнисту масу до ступеня млива 34-36°ШР. У розмелену масу вводять 0,2мас.% сапоніту з розміром часток 0,2-6,0мкм і як коагулянт поліоксихлорид алюмінію торговельної марки Полвак у кількості 0,5мас.% до маси абсолютно сухого волокна. Волокнисту масу перемішують і виготовляють лабораторні зразки паперу для гофрування за традиційною технологією. Проводять фізико-механічні випробування лабораторних зразків паперу за 10 нормативно-технічною документацією, що прийнята в целюлозно-паперовій промисловості. Приклад 7. Лабораторні зразки паперу для гофрування виготовляють за прикладом 6, але при цьому як пігмент використовують силевіт. Приклад 8 (найближчий аналог). Лабораторні зразки паперу для гофрування виготовляють у такий спосіб. Розпускають макулатуру марки МС-5 Б і розмелюють отриману волокнисту масу на основі лігноцелюлозного волокна до ступеня млива 32-35°ШР (градусів Шоппер-Риглера). У розмелену масу вводять 10,0мас.% двоокису титану з розміром часток 0,2-6,0мкм і як коагулянт використовують сірчанокислий алюміній за витрати чистого сірчанокислого алюмінію 1,0-2,0мас.%. Волокнисту масу перемішують і виготовляють папір для гофрування за традиційною технологією, здійснюючи формування і сушіння лабораторних зразків пакувального паперу на листовідливному апараті. Проводять фізико-механічні випробування лабораторних зразків паперу за нормативно-технічною документацією, що прийнята в целюлознопаперовій промисловості. Результати випробувань представлені в таблиці. Приклад 9 (контрольний). Лабораторні зразки паперу для гофрування виготовляють у такий спосіб. Розпускають макулатуру марки МС-5 Б і розмелюють волокнисту масу до ступеня млива 32°ШР. Волокнисту масу перемішують і виготовляють пакувальний папір за традиційною технологією. Відливання лабораторних зразків пакувального паперу здійснюють на листовідливному апараті. Проводять фізико-механічні випробування лабораторних зразків паперу за нормативнотехнічною документацією, що прийнята в целюлозно-паперовій промисловості. Результати випробувань представлені в таблиці. Таблиця Значення показника Найменування показника Приклади 5 6 2 3 4 7 8 9 99,7 99,6 99,8 82 99,4 100 100 100,1 235 3,7 238 3,8 258 4,5 194 4,2 241 4,2 240 4,1 182 3,2 192 3,0 151 137 138 142 110 107 1,03 0,89 0,96 1,00 0,72 0,7 48 50 74 60 60 32 38 4,15 4,0 4,1 4,6 4,0 4,1 8,1 3,7 1 Маса волокнистого матеріалу 99,5 площею 1 м2, г Абсолютний опір продавлюванню, кПа 247 Питомий опір розриву, кН/м 4,1 Опір площинному стисканню гофрованого зразка, Н Опір торцевому стисканню гофрованого зразка, кН/м Міцність на злам під час багаторазових 56 перегинів, к.п.п. Масова частка золи, % 4,0 Введення в композицію паперу для гофрування тонкодисперсного пігменту - умбри, охри, сапоніту, силевіту менше за 0,1мас.% не дає відчутних результатів у збільшенні фізико-механічних показників. Введення в композицію паперу для гофрування тонокдисперсного пігменту більше 0,5мас.% недоцільно, оскільки це призводить до зниження фізико-механічних показників паперу за незначної економії волокна і енергоресурсів. 11 45690 Введення у волокнисту масу коагулянту поліоксіхлориду алюмінію у кількості 0,5-1,0мас.% у поєднанні з тонкодисперсним пігментом призводить до відчутного збільшення механічної міцності таропакувального волокнистого матеріалу. Папір для гофрування, пакувальний папір, картон для Комп’ютерна верстка М. Мацело 12 плоских шарів гофрованого картону, виготовлені відповідно до корисної моделі, мають підвищені механічні показники за одночасного досягнення необхідного комплексу інших фізико-механічних властивостей. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601