Системы фиксации наполнителей в производстве бумаги для печати

В настоящее время целлюлозно-бумажная промышленность России находится в достаточно сложном положении. Уровень производства бумаги сократился почти вдвое по сравнению с наиболее успешными 1988;89 годами. Анализ сложившегося положения показывает, что существует целый ряд причин кризиса ЦБП, как общих для всей экономики, так и специфичных для лесопромышленного комплекса. К общим причинам кризиса следует отнести низкий технический уровень производства, сложившийся затратный механизм хозяйствования, приводящий к незаинтересованности в прогрессивных технологиях, недостаток оборотных средств и инвестиций, ослабление и разрыв межотраслевых и межрегиональных связей, низкая конкурентоспособность и трудности со сбытом продукции. Для лесопромышленного комплекса, в частности для ЦБП, помимо выше указанного, следует отметить обострившиеся транспортные проблемы, ориентацию на экспорт сырья и полуфабрикатов в низкой степени технологической переработки, трудности с экологией, проблемы с конкурентоспособным ассортиментом. Очевидно, что один из основных путей выхода из сложившейся кризисной ситуации связан с нахождением и реализацией новых технических решений, позволяющих снизить себестоимость продукции при повышении ее качества, что является решающим для повышения конкурентоспособности на внутреннем и внешнем рынке [35].

В производстве писчепечатных видов бумаги, как традиционных, так и вновь появившихся в последние годы, проблемы качества и себестоимости выражены, пожалуй, наиболее остро среди прочих видов продукции ЦБП. Требования к белизне бумаги, оптическим и печатным свойствам, гладкости и равномерности зачастую вступают в противоречие со стоимостными и экологическими проблемами, требуют высокого технического уровня оборудования, современного подхода к качеству продукции, развития автоматизированных систем управления технологическими процессами [21,101].

Одним из основных технологических процессов, характерных для производства писчепечатных видов продукции является процесс наполнения бумаги. Наполнение во многом определяет основные свойства продукции, ход производства бумаги на бумагоделательной машине, а также экономические и экологические характеристики производства [45,11].

В последние годы достаточно ясно прослеживается тенденция замены широко используемого традиционного наполнителя — каолина на различные виды наполнителей на основе карбоната кальция. Наполнители на основе карбоната кальция дешевле каолина, обладают более высокой белизной, позволяют получать бумагу с большим содержанием наполнителя. Однако, при наполнении карбонатом кальция необходим переход на системы фиксации нейтрального или слабощелочного характера. Такие системы предлагаются различными фирмами, как правило, в сочетании с проклеивающими реагентами, способными создавать необходимый уровень проклейки также в нейтральных и слабощелочных средах. Зачастую такие системы фиксации наряду с традиционными проклеивающими и наполняющими веществами представляют собой достаточно сложный комплекс реагентов. Влияние этого комплекса на ход основных технологических процессов производства бумаги, а также на качественные характеристики продукции изучено в недостаточной степени. При этом многообразие систем фиксации, широкое распространение технологии производства бумаги в нейтральной и слабощелочной средах позволяют считать исследования, проводимые в направлении изучения роли систем фиксации компонентов бумажной массы с нетрадиционным комплексом реагентов, достаточно своевременными и актуальными [45,15,96,97].

Целью настоящей работы является, таким образом, выяснение роли различных систем фиксации в процессе удерживаемости наполнителей в формировании прочностных характеристик бумаги, а также разработка технологии использования различных нетрадиционных наполнителей и новых эффективных фиксирующих реагентов.

Основные положения, выносимые на защиту:

— теоретические положения и экспериментальные данные о роли систем фиксации в технологии печатных видов бумаги;

— теоретические представления о бумаге для печати как волокнистоминеральном композиционном материале;

— данные о влиянии вида наполнителя и его характеристик на удерживаемость в условиях нейтрального способа производства бумаги для печати;

— данные о роли компонентов системы фиксации в формировании основных свойств бумаги для печати.

Результаты исследования приведены на рис. 2.1, 2.2,2.3. Из графиков следует, что поведение каолина КН-82 в условиях эксперимента соответствует известным результатам, то есть удерживаемость закономерно снижается, а затем стабилизируется с увеличением дозировки наполнителя в результате параллельно протекающих процессов — заполнения адсорбционных возможностей волокна и уплотнения фильтрующего волокнистого слоя. Вид кривых удерживаемости обоих видов мела несколько отличается от таковых для каолина. Помимо вышеуказанных факторов достаточно явно сказывается фактор изменения рН среды в условиях увеличения дозировки карбоната кальция.

На рис. 2.4 показано изменение кислотности среды в зависимости от расходов каолина и мела.

Исходная кислотность суспензии каолина — 5,9, бумажной массы с каолином -6,5, исходная кислотность суспензии мела — 9,2−9,6, бумажной массы с мелом -8,5−8,7. (при расходах наполнителя, соответствующих содержанию в массе 30%).

Рис. 2.1 Удержание наполнителей в бумаге при разном их расходе (Каолин КН-82).

1 — Удержание 2 — Зольность.

100 [20} л t-о о X л со (О ф.

К = га? а а> 2.

75 И51.

50 [Ю}.

25 [5] со.

CD.

Рис. 2.2 Удержание наполнителей в бумаге при разном их расходе (Химически осажденный мел) 1 — Удержание 2 — Зольность.

Рис. 2.3 Удержание наполнителей в бумаге при разном их расходе (Природный мел МПНБ — 2) 1 — Удержание 2 — Зольность.

— 1 о тйт".

Он Si.

835 хя > а.

Рис. 2.4 Изменение кислотности среды в зависимости от расходов каолина и мела.

1 — каолин 2 — мел.

При введении сульфата алюминия кислотность среды в бумажной массе с каолином практически не меняется, рН бумажной массы с обоими видами мела явно возрастает, особенно после содержания мела 15%.При этом, согласно ряду литературных источников, меняется форма существования соединений алюминия, от Al3+ до полиядерных гидроксокомплексов и коллоидной гидроокиси алюминия. Эти формы более активны в плане увеличения удерживаемости, чем форма сульфата алюминия в виде Al3+, что и сказалось положительно на удерживаемости обоих видов мела при увеличении их дозировки [49,39,68].

Проведенные эксперименты имеют больше теоретический, нежели практический смысл, так как наполнение мелом в присутствии сульфата алюминия в реальных условиях практически не встречается.

Более приближенным к реальным условиям является специально поставленный эксперимент по оценке эффективности фиксации наполнителя с использованием квасцов при рН около 5, квасцов, частично нейтрализованных при рН около 7, катионного крахмала Райсомил 115 в количестве 0,5% к массе абсолютно сухого вещества. Содержание наполнителей в массе было 25%.

Полученные результаты по удерживаемости приведены на диаграмме (рис. 2.5).

Использование катионного крахмала дает несколько меньшие результаты по удерживаемости, вероятно, в связи с недостаточным положительным зарядом, не перекрывающим катионную потребность при данном расходе [58]. Для получения более высоких результатов требуется либо увеличение дозировки, либо применение наряду с катионным крахмалом дополнительно какого-либо катионного полиэлектролита, что в реальных условиях всегда выполняется. Использование квасцов при рН 5 наиболее эффективно для каолина, при рН 7 — для карбонатных наполнителей. Здесь следует считаться с возможностью растворения некоторых количеств мела в кислой среде.

Рис. 2.5. Удержание наполнителей при использовании для фиксации различных химикатов природный мел МПНБ-2 химически осажденный мел каолин КН-82.

1,5,9 — катионный крахмал.

2.6.10 — квасцы рН 5.

3.7.11 — квасцы рН 7.

Различие в удерживаемости образцов мела и каолина связано с их различной дисперсностью [77,17]. Использование фиксирующих реагентов наиболее эффективно для высокодисперсных частиц, поскольку мелкую частицу наполнителя значительно проще прочнее связать с волокном, чем крупную, и агломераты волокон и мелких частиц представляют собой образование, которое значительно успешнее противостоит скалывающим нагрузкам отходящей воды, чем система волокно — крупная частица наполнителя.

Влияние степени дисперсности мела в идентичных условиях отлива на его удерживаемость изучалось на опытных образцах мела М-60 и М-90. Отливки бумаги выполнялись из той же композиции, что и в предыдущих экспериментах, в качестве фиксирующей добавки использовался катионный крахмал Райсомил 115 в количестве 0,5%. Результаты приведены на рис. 2.6 (1 и 2).

Данный эксперимент показал, что в условиях лабораторного отлива, то есть при значительном разбавлении массы перед отливом, более высокодисперсный мел М-90 лучше удерживается при малых дозировках, благодаря сорбционным возможностям волокна, при больших дозировках этот мел, имеющий более мелкие частицы по сравнению с мелом М-60, в большей степени уходит с отходящей водой.

Влияние формы частиц наполнителя показано специальным экспериментом с использованием наполнителя с удлиненной формой частиц — волластонита. В качестве наполнителя для сравнения использовался каолин. Выполнялись отливки, состоящие из 50% лиственной и 50% хвойной беленой сульфатной целлюлозы. Размол производился раздельно в ролле емкостью 25л, степень помола лиственной целлюлозы составила 40°ШР, хвойной — 37° ШР. В бумажную массу вводили волластонит в количестве 10,20,30,40 и 50%. Параллельно в идентичную массу в тех же количествах вводился каолин КН-82.

Рис. 2.6−1 Зольность бумаги с мелом различной дисперсности.

1 — М-60 2 — М-90.

Содержание наполнителя в массе i.

2.6−2 Удерживаемость мела с различной дисперсностью.

1 — М-60 2 — М-90.

Содержание наполнителя в массе i.

Для фиксации использовался сернокислый глинозем в количестве 2,5% к волокну. Масса отливок — 70г/м2 .

Результаты приведены на рис. 2.7 (1 и 2). Из графика отчетливо видно, что удерживаемость волластонита значительно (в 1,5−1,8 раза) выше, чем удерживаемость каолина, причем, если удерживаемость каолина с увеличением дозировки снижается, то удерживаемость волластонита в этих же условиях возрастает. Это связано с формой частиц волластонита. Чем больше в композиции бумаги удлиненных частиц волластонита, тем более пористым становится фильтрующий слой, легче уходит вода, меньше так называемые скалывающие нагрузки от отходящей воды и, соответственно, больше наполнителя остается связанным с волокном.

Таким образом, в результате данной серии экспериментов установлено, что:

— мел и каолин различным образом удерживаются при увеличении дозировки при использовании фиксирующих систем на основе соединений алюминия в силу своего химического строения;

— удерживаемость наполнителей при использовании только катионного крахмала с реально применяемыми дозировками недостаточна, вероятно, из-за низкого положительного заряда;

— фиксирующие реагенты более эффективны при удерживаемости наполнителей с более высокой степенью дисперсности;

— при больших расходах наполнителей в традиционных системах фиксации лучшую удерживаемость имеют менее дисперсные наполнители;

— наполнители с удлиненной формой частиц удерживаются значительно лучше наполнителей со сферическими частицами.

Рис. 2.7−1 Наполнение бумаги волластонитом и каолином 1 — каолин 2 — волластонит.

Рис 2.7−2 Наполнение бумаги волластонитом и каолином 1 — каолин 2 — волластонит сп о.

2.3. Влияние вида наполнителя и условий наполнения на свойства бумаги.

В этой части раздела условия наполнения и виды наполнителя были тождественны таковым в разделе 2.2. На рис. 2.8 и 2.9 показаны изменения разрывной длины бумаги и сопротивления излому бумаги при увеличивающемся содержании в бумаге различных видов наполнителя. Увеличение содержания каолина в бумаге закономерно снижает прочность как по разрывной длине, так и по сопротивлению излому.

Прочностные характеристики. бумаги при увеличении содержания мела в бумаге также снижаются, но в значительно меньшей степени. Образующиеся благодаря повышению рН среды (см. рис. 2.4) активные гидроксокомплексы соединенийалюминия в значительной степени компенсируют снижение прочностных показателей в присутствии мела [68,39,50].

Характерно распределение кривых снижения прочности для различных наполнителей, особенно для малых и средних величин содержания наполнителя в бумаге.

Кривые расположены в соответствии со снижением степени дисперсности наполнителей. Чем выше степень дисперсности наполнителей, тем в большей степени он удерживается адсорбционно. Следовательно, блокирующее действие адсорбционно удержанного наполнителя в меньшей степени влияет на прочность бумаги, чем расклинивающее действие механически удержанного низкодисперсного наполнителя.

Влияние фиксирующих реагентов на прочность бумаги, содержащей наполнители, определялось при одинаковом содержании наполнителей в бумаге (15%). Из диаграмм на рис. 2.10 и 2.11 видно, что в нейтральной среде (рН 7) показатели прочности для всех видов наполнителя выше, чем в кислой. При использовании катионного крахмала прочностные характеристики бумаги.

Рис. 2.8 Влияние вида наполнителя на разрывную длину бумаги 1 — каолин 2 — мел природный 3 — мел химически осажденный сп м.

Рис. 2.9 Влияние вида наполнителя на сопротивление излому бумаги 1 — каолин 2 — мел природный 3 — мел химически осажденный.

10 15 20 25.

Содержание наполнителя в бумаге (%).

Рис. 2.10 Разрывная длина бумажного листа в зависимости от вида наполнителя при использовании для фиксации различных химикатов (зольность 15%).

1,5,9 — катионный крахмал.

2.6.10 • квасцы рН 5.

3.7.11 • квасцы рН 7.

Рис. 2.11 Сопротивление излому бумажного листа в зависимости от вида наполнителя при использовании для фиксации различных химикатов (зольность -15%).

I 1П2 О 5 S.

О) 5 X.

0> § о а. с о и сл.

СП.

2 3 4.

Химически осажденный мел.

6 7.

Природный мел МПНБ-2.

Каолин KH-82.

1,5,9 — катионный крахмал.

2.6.10 — квасцы рН б.

3.7.11 • квасцы рН 7 также имеют тенденцию к росту, что, очевидно, связано со связующими свойствами крахмала.

Один из наиболее дискуссионных вопросов — влияние степени дисперсности наполнителей на прочностные характеристики бумаги.

Из предыдущей серии опытов однозначные выводы по этому вопросу сделать затруднительно, так как необходимо сравнивать одинаковые наполнители в сравнимых условиях при изменении • также степени дисперсности. По карбонатным наполнителям сравнивались опытные образцы мела М-60 и М.

2.

90. Моделировалась офсетная-бумага 70 г/м, .композиция — 50% хвойной и 50% о лиственной целлюлозы, степень помола — 38 ШР для обоих видов волокна, проклейка клеем Райсофоб 940 — 0,7%, фиксация Райсомил 145 — 0,5%, сравнение при одинаковой зольности — 12% (табл. 2.4).

Заключение

.

На основании проведенных исследований и теоретического анализа, можно сделать следующие общие выводы:

1. Сформулировано и теоретически обосновано определение системы фиксации как комплекса химических вспомогательных веществ, обеспечивающих оптимальное удержание компонентов, обезвоживание бумажной массы и формирование полотна в мокрой части бумагоделательной машины и способствующих достижению необходимого уровня эксплуатационно-потребительских свойств бумаги и картона;

2. На степень удерживаемости дисперсность наполнителя, форма его частиц и химическое строение влияют следующим образом:

— высокодисперсные наполнители удерживаются главным образом благодаря фиксирующим реагентам;

— низкодисперсные наполнители лучше удерживаются при больших расходах наполнителя;

— наполнители с удлиненной формой частиц удерживаются лучше, чем наполнители со сферической формой частицдля увеличения удерживаемости необходимы катионные крахмалы с большей степенью замещения при повышенной дозировке;

— на удерживаемость мела в присутствии алюминия влияет значение рН среды, вызывающее переход алюминия из ионной формы к коллоидной гидроокиси алюминия;

3. Наполнители с высокой степенью дисперсности, а также с удлиненной формой частиц в меньшей степени снижают показатели прочности бумаги, чем низкодисперсные со сферической формой частиц;

4. Положительное влияние на показатели прочности систем фиксации связано с переходом рН от кислого к нейтральному и действием катионного крахмала как связующего, особенно при повышенных его дозировках;

5. Синтетические высокомолекулярные катионные полимеры, а также сополимер акриламида и оксиэти л целлюлозы с высокой молекулярной массой значительно эффективнее для удержания, чем постоянно используемые катионный крахмал и полиакриламид;

6. Комбинированные связующие на основе крахмала, карбоксилметилцелюлозы и гуаровой камеди значительно эффективнее для увеличения прочности, чем катионные или окисленные крахмалы;

7. Анализ проводимых на ряде российских предприятий в последние годы опытных работ, связанных с переходом на нейтральный способ производства бумаги, подтвердил выводы по данному исследованию в части влияния степени дисперсности, роли систем фиксации в формировании показателей прочности, действия эффективных связующих веществ.

По результатам настоящего исследования могут быть сформулированы следующие рекомендации для исследовательских, проектных организаций и промышленных предприятий:

1. Переход на нейтральный способ производств с использованием в качестве наполнителя карбоната кальция, при отказе от соединений алюминия как фиксирующих реагентов, помимо известных преимуществ, обеспечивает повышение и стабильность прочностных и эксплуатационных показателей бумаги для печати;

2. Для улучшения потребительских характеристик бумаги для печати и обеспечение соответствия ее по качеству и ассортименту постоянно возрастающим требованиям, необходимо выполнение следующих условий:

— увеличение содержания наполнителя в бумаге до 35−40%- переход на высокодисперсные карбонатные наполнители с содержанием частиц менее 2 мкм не менее 85−90%- подбор оптимальных систем фиксации, обеспечивающих высокое удержание, равномерную макроструктуру и сохранение показателей прочности бумаги;

Системы фиксации становятся значительно эффективнее при использовании специально разработанных реагентов, повышающих удерживаемость наполнителей и прочность бумаги в большей степени, чем наиболее часто используемые в настоящее время в производственной практике.