Производство бумаги и картона

При проклейке в массе проклеивающие материалы подаются в бумажную массу перед формованием листа и более или менее равномерно рапределяются в объеме массы, а следовательно, и в самом бумажном листе. При поверхностной проклейке про­ клеивающие вещества наносят в клеильном прессе на уже сформированное, но недосушенное бумажное полотно. Часто в производстве используются оба метода.

Поверхностная проклейка. Механизм придания бумаге (кар­ тону) чернило- и водонепроницаемости при поверхностной ее обработке проклеивающими веществами заключается в том, что при этом на поверхности бумаги образуется тонкая пленка этих веществ, препятствующая проникновению чернил или воды в тол­ щину листа.

Благодаря склеиванию волокон и образованию на поверхности бумаги прочной пленки бумажное (картонное) полотно приобрета­ ет прочную поверхность, устойчивую к трению. От такой поверхности не отделяются волоконцы (бумага «не пылит»). Текст или рисунок, нанесенные на бумагу карандашом, чернилами, сти­ раются резинкой, при этом поверхность бумаги не повреждается. Поэтому поверхностная проклейка бумаги широко применяется в тех случаях, когда требуется придать поверхности бумаги повы­ шенную устойчивость к трению и увеличить механическую прочность бумаги. Кроме того, поверхностная проклейка бумаги позволяет снизить расход химикатов на проклейку по сравнению с проклейкой в массе, что положительно сказывается на снижении себестоимости продукции. Недостатком этого способа является применение дорогостоящего оборудования - клеильного пресса (разд. 7.5 настоящего пособия).

Проклейка в массе. При соприкосновении бумаги с жидко­ стью последняя может смачивать бумагу и растекаться по ее поверхности, а также путем капиллярного впитывания проникать в структуру бумаги через межволоконные поры. Жидкость может растекаться по поверхности волокон и проникать внутрь их по ка­ пиллярам и порам. Поэтому различают внутриволоконное и межволокоиное проникновение. Смачивается ли поверхность бу­ маги жидкостью или нет, зависит от поверхностного натяжения на границах раздела трех фаз (бумага - жидкость - воздух). Величина этого натяжения определяет кравевой угол смачивания. Если крае­

вой угол смачивания (0) больше 90°, то смачивания не происходит, поверхность тела в этом случае называется гидрофобной. Твердое тело смачивается, если 0 < 90°, поверхность в этом случае является гидрофильной. Схематически это представлено на рис. 4.

Рис. 4. Краевой угол смачивания неклееной и клееной бумаги: а - неклееная бумага (жидкость смачивает поверхность волокон); б - клееная бумага (жидкость не смачивает поверхность волокон)

Проклеивающее вещество должно отвечать следующим требо­ ваниям:

1) обладать водооталкивающей способностью, т.е. иметь крае­ вой угол смачивания более 90°, чтобы придать водоотталкивающие свойства поверхности волокна;

2)быть хорошо диспергировано по поверхности волокна, чтобы сделать стенки межволоконных капилляров водоотталкивающими;

3)должно быть связано с поверхностью волокна физическими, физико-химическими или химическими силами связи так, чтобы оно не приводило к флокуляции в процессе подготовки бумажной массы;

4)не должно вступать в реакцию со смачивающим веществом;

впротивном случае оно потеряет гидрофобизирующую способ­ ность;

5)не должно отрицательно влиять на процесс производства бумаги и ее свойства.

Поскольку классическим проклеивающим материалом является канифоль, кратко рассмотрим возможный механизм придания бума­ ги гидрофобности. Канифоль, являющаяся смесью смоляных кислот,

вводе нерастворима. Для приготовления клея канифоль сначала пе­ реводят в растворенное состояние. С этой целью ее обрабатывают

щелочным реагентом. При обработке канифоли (С19Н29СООН) ще­ лочью, например гидроксидом натрия (NaOH) или карбонатом натрия (Na2C 03), происходит химическое взаимодействие - нерас­ творимая в воде канифоль переходит в растворимую канифольную клей-пасту. Это можно представить следующей реакцией:

С19Н29СООН + NaOH = C,9H29COONa + Н20 ;

2С19Н29СООН + Na2C 03 = 2Cl9H29COONa + Н20 + С 02.

Эти реакции явялются типичными реакциями нейтрализации кислоты щелочью. Для полной нейтрализации смоляных кислот канифоли требуется около 13 % NaOH или около 17... 18 % Na2C 03 по отношению к массе канифоли. Если взять меньшее количество щелочи, то часть канифоли останется в неизменном виде - в форме свободной смолы. Количество свободной смолы в клее может быть различным. В зависимости от ее содержания различают несколько видов канифольного клея:

1)высокосмоляной, содержание смолы 70-90 %;

2)белый, содержание смолы до 40 %;

3)нейтральный, или бурый, где смолы практически нет.

После разбавления клей-пасты водой получается рабочий раствор клея, который содержит: свободную смолу (Ci9H29COOH) в виде мельчайших частиц, резинат натрия или омыленную канифоль (Ci9H29COONa), коллоидную смолу, выделившуюся в результате гид­ ролиза резината натрия по реакции

C19H29COONa + Н20 = С19Н29СООН + NaOH.

Коллоидная смола и частицы свободной смолы обладают в вод­ ной среде, как и целлюлозное волокно, отрицательным электрокинетическим потенциалом. Поэтому, чтобы зафиксировать смолу на волокне, необходимо перезарядить один из компонентов. Эту роль выполняет сернокислый алюминий, который вступает в химические и коллоидно-химические реакции с резинатом натрия, солями жестко­ сти воды и волокном. Направление этих реакций зависит от значения pH среды, которое определяет, в какой форме находится соединение алюминия: сернокислый алюминий гидролизуется и в зависимости от состояния среды может находиться либо в диссоциированном состоя­ нии - в ионной форме, либо в недиссоциированном состоянии - в форме гидроксида алюминия.

Гидролиз происходит по схеме

A12(S04)3 + 6НОН <-> 2А1(ОН)3 + 3H2S04

или в ионной форме

2А13+ + 3S042- + 6НОН «-»• 2А1(ОН)3 + 6Н“ + 3S042'

При повышении кислотности среды увеличивается количество ионов алюминия, а при повышении щелочности, наоборот, увели­ чивается количество недиссоциированного гидроксида алюминия. Каждый из компонентов сульфата алюминия вступает в определен­ ное взаимодействие с волокном и клеевой дисперсией. Таким образом, когда сернокислый алюминий добавляют в бумажную массу, он сначала диссоциирует на сульфатные ионы и ионы алю­ миния. Ионы алюминия вступают в реакцию с водой, образуя гидроксид алюминия и ионы водорода. Последние вызывают сни­ жение pH системы при добавлении сернокислого алюминия. Как установлено, окончательно система находится в равновесии и со­ стоит из смеси ионов: А13+; А1(ОН)24; А1(ОН)н2; А1(ОН)3; Н+

Ионы алюминия вступают в реакцию с резинатной группой ка­ нифольной дисперсии и образуют смесь резинатов алюминия. Эта реакция происходит почти мгновенно и в общей форме имеет вид

6C19H29COONa + A12(S04)3 -> 2(C19H29COO)3AI + 3Na2S 04.

В действительности клеевой осадок представляет смесь моно-, ди- и трирезинатов алюминия, свободные смоляные остатки, неомы­ ляемые продукты. Их соотношение в значительной мере зависит от значения pH массы. Таким образом, дисперсия смоляного клея содер­ жит клеевые мицеллы. Это комбинация ионизированного резината натрия, свободной смолы, нейтральных и окисленных веществ, кото­ рые присутствуют в канифоли. Когда к системе добавляют сернокислый алюминий, он вступает в реакцию со смоляной диспер­ сией и образует систему резинатов - положительно заряженный осадок. Этот осадок притягивается к отрицательно заряженному во­ локну электростатическими силами.

Следующей важной стадией в цикле проклеивания является прохождение бумажного листа через сушильные цилиндры, где происходит плавление осадка и растекание его по поверхности во­ локна. Свободные смоляные кислоты и нейтральные вещества способствуют понижению точки плавления осадка. Важным факто-

ром в этом процессе является то, что внешняя поверхность осадка перестраивается таким образом, что теперь уже состоит из гидро­ фобных резинатных групп.

Образовавшийся в результате гидролиза сульфата алюминия гидроксид является положительно заряженным веществом, которое также осаждается на волокне и также участвует в процессе прида­ ния бумаге гидрофобности. Упрощенная схема проклейки волокна представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема проклейки волокна

По степени проклейки различают следующие виды бумаги:

1)сильноклеёная, расход канифоли 1,5-4 % от массы волокна (писчая, тетрадная, фотоподложка, картографическая и др.);

2)слабоклеёная, расход канифоли 0,5-1 % (типографская, ме­ шочная, обойная, афишная и др.);

3)неклеёная (электроизоляционная, впитывающая, папиросная

идр.).

Факторы, влияющие на процесс проклейки. Проклейка бу­ маги - это многофакторный процесс, результат которого зависит от качества приготовленного клея, порядка введения в бумажную мас­ су химикатов, кислотности среды, соотношения расходов канифольного клея и сернокислого алюминия, качества производ­ ственной воды, температуры массы, режимов отлива, прессования, сушки и каландрирования бумаги.

Качество клея. Эффективность проклейки в значительной ме­ ре определяется качеством рабочего раствора клея, которое зависит от выбора исходных материалов, применяемых для получения оп­

ределенного вида клея, условий варки клей-пасты, диспергирова­ ния и разбавления водой сваренной клей-пасты до рабочего раствора.

Кислотность среды. pH массы до добавления клея зависит от качества полуфабриката. Нейтральный клей начинает терять ста­ бильность при pH менее 6,5, а высокосмоляной - при pH менее*5,3. Поэтому оптимальной является величина pH = 6,5...7, иначе про­ изойдёт преждевременная коагуляция. Этого можно избежать и при кислой реакции массы, если добавить воды. После добавления сульфата алюминия оптимальная величина pH = 4,5. При этом ско­ рость осаждения клея является максимальной.

Соотношениерасхода канифоли и сульфата алюминия. При пра­ вильно выбранном расходе сульфата алюминия в бумажной массе создается значение pH, необходимое для качественной канифольной проклейки. Сульфат алюминия расходуется на нейтрализацию щело­ чи, используемой в основных видах клеев, и фиксацию двухвалентных ионов магния и кальция, присутствующих в жесткой воде. Некоторый избыток сульфата алюминия дается для создания кислой среды в бу­ мажной массе, чтобы улучшить удержание наполнителей и предот­ вратить прилипание бумажного полотна к прессовым валам БДМ. На практике необходимое количество сульфата алюминия рассчитывает­ ся в зависимости от условий производства.

На производстве обычным является соотношение между клеем и сульфатом алюминия в пределах 1:2 или 1:1,5 при любых расхо­ дах клея. Это неправильно. Расход коагулянта зависит не только от расхода клея. И если требуется снизить расход клея, то количество сульфата алюминия не должно резко уменьшаться. Его концентра­ ция в массе должна быть более или менее постоянной (для создания оптимального значения pH среды). Можно снизить коли­ чество сульфата алюминия до соотношения 1:1, когда расходуется большое количество клея (более 20 кг/т).

Для оперативного определения количества сульфата алюминия в системе используют показатель общей кислотности. При исполь­ зовании смоляных клеев оптимальные показатели находятся в пределах 50... 150 мгСаСОз/л.

Качество воды. Содержание в воде солей жесткости также влияет на качество проклейки. В реакцию с клеем вступают соли кальция и магния, резинаты которых выпадают в осадок. При

большой жесткости воды клей может весь выпасть в осадок. Оса­ док получается грубодисперсным, частицы клея плохо распреде­ ляются в массе, проклейка резко ухудшается.

Нейтральный клей применяется в мягкой воде, белый - в воде средней жесткости, высокосмоляной - в жесткой. Клей из модифи­ цированной канифоли менее чувствителен к солям жёсткости.

В весенне-летний период, при поступлении на фабрику талой воды, результаты проклейки ухудшаются. В этот период в воде со­ держатся гумусовые вещества, представляющие собой продукты разложения клетчатки и лигнина. Они способны вступать в реак­ цию с ионами алюминия, а также увеличивать отрицательный заряд целлюлозы.

Температура массы зависит от температуры оборотной воды и температуры окружающей среды. В летний период результаты проклейки ухудшаются, так как повышение температуры ведёт к укрупнению смоляных частиц, и они неравномерно покрывают волокно. Проклейка нейтральным и белым клеями требует темпе­ ратуры массы 15-20 °С. При температуре выше 30 °С заметно возрастает расход клея. Высокосмоляной клей теряет стабильность при температуре выше 40 °С.

Размол увеличивает поверхность волокна и, следовательно, его адсорбционную способность. Клей лучше распределяется в волок­ не, и проклейка бумаги улучшается за счёт получения сомкнутой поверхности с меньшим объёмом пор.

Композиция бумажной массы. По возрастающей способности проклеиваться полуфабрикаты можно расположить в следующем порядке: тряпичная полумасса, небелёная сульфитная целлюлоза, белёная сульфитная целлюлоза, древесная масса, белёная сульфат­ ная целлюлоза, небелёная сульфатная целлюлоза.

Наполнители. Частицы наполнителей адсорбируют клеевые частицы, в результате чего расход клея увеличивается. Кроме того, наполнитель увеличивает пористость и снижает степень проклейки.

Условия формования полотна. Вследствие отсасывающего действия обезвоживающих элементов сеточного стола происходит отрыв смоляных частиц, особенно с сеточной стороны полотна. Это приводит к разной степени проклейки с лицевой и сеточной сторон бумаги. Разносторонность больше проявляется при выработке бу­ маги из садкой массы и бумаги небольшой массы 1 м2. Удержание клея приблизительно 50...60 %. Хуже других удерживается высо­ космоляной клей.

Условия прессования. С точки зрения проклейки оптимальная сухость бумажного полотна после прессования - 40...41 %. Повы­ шение сухости в процессе прессования приводит к потерям смолы с прессовой водой, понижение сухости - к тому, что в процессе сушки при достижении температуры спекания для данного вида клея сухость бумажного полотна не достигает оптимальной - 65 %.

Сушка бумаги. Если в начальный период сушки температура поверхности сушильных цилиндров выше 70 °С, то происходит сильное паровыделение, способствующее увеличению пористости бумаги, что приводит к понижению степени проклейки. Также мо­ жет произойти засмоление первых сушильных цилиндров. Спекание частиц клея должно происходить при сухости бумаги 60... 65 %, так как во влажном полотне частицы могут перемещать­ ся и коагулировать.

Сушка клеёной бумаги ведётся так, чтобы максимальная тем­ пература была больше температуры спекания клея, но меньше температуры полного его расплавления. Температура спекания вы­ сокосмоляного клея 60...80 °С, белого клея 105... 115 °С, резината алюминия 152... 160 °С.

Каландрирование ухудшает проклейку. Особенно это харак­ терно для бумаги небольшой массы 1 м2 и бумаги, имеющей в композиции древесную массу.

Проклейка бумаги в нейтральной и щелочной средах. От­ лив бумаги и картона в нейтральной и щелочной средах находит все большее применение во всем мире. Это обусловлено тем, что очень важные для бумажников проблемы, имеющие место в мок­ рой части БДМ при отливе в кислой среде, в значительной мере теряют свою остроту или вовсе исчезают при переходе к отливу

внейтрально-щелочной области.

ВРоссии основными предпосылками для развития технологии отлива в нейтрально-щелочной области стали следующие:

1)открытие и разработка крупных месторождений мела;

2) появление большей потребности в новых видах бумаги

икартона;

3)обострение экологических проблем;

4)необходимость повышения технико-экономических показа­ телей производства;

5)повышение требований к качеству бумаги.

Следует отметить, что «щелочная проклейка» и «нейтральная проклейка» принципиальных отличий не имеют, и с учетом сло­ жившейся практики оба термина используются, если отлив массы происходит в диапазоне pH 6,8.. .9,0.

Подобно традиционной проклейке нейтральную проклейку подразделяют на проклейку в массе, поверхностную проклейку

икомбинированную проклейку.

Сиспользованием технологии нейтральной проклейки можно производить все виды бумаги и картона, но основными являются три группы продукции, при производстве которых применение нейтральной проклейки имеет особое значение:

1)высокосортная бумага (без древесной массы);

2)картон для упаковки жидкостей;

3)тест-лайнер из макулатуры, средний слой гофрированного картона (флютинг), гипсокартон.

Вкомпозицию высокосортных видов бумаги часто вводят СаС03. Поэтому выработка такой бумаги в кислой среде с использованием сульфата алюминия невозможна.

Картон для упаковки жидкостей всегда производится в щелоч­ ной среде, так как при проклейке в кислой среде он не отвечает требованиям устойчивости к воздействию молочной кислоты.

Тест-лайнер и средний слой гофрированного картона обычно вырабатывается в кислой области. Однако использование макула­ туры с повышенным содержанием СаСОз в этих условиях вызывает

ряд проблем, в связи с чем возникает необходимость перехода к нейтральной технологии.

Основные характеристики, необходимые для всей бумажной и картонной продукции, в значительной мере формируются в мок­ рой части БДМ. Именно в мокрой части БДМ в результате сложных коллоидно-химических процессов, механизм которых во многом остается еще не доконца изученным, разрозненные компоненты бумажной массы начинают активно связываться между собой и в результате образуется бумажный лист.

При переходе к нейтральной проклейке производственники сталкиваются с проблемами выбора системы проклейки, системы удержания, пеногасителей, биоцидов и красителей.

Химикаты для проклейки бумаги и картона в нейтральной среде

Канифольная дисперсия (диспергированная свободная смоля­ ная кислота) позволяет осуществлять проклейку канифольными клеями при более высоких значениях pH по сравнению с кани­ фольным мылом или пастой. Если для канифольной пасты предельное значение pH составляет 5,0, то канифольная дисперсия используется при pH выше 7,5.

Поскольку канифольная дисперсия, производимая в России под названием Сакоцелл-309, находит все более широкое примене­ ние, рассмотрим некоторые ее свойства.

Сакоцелл-309 - это высокоэффективная проклеивающая диспер­ сия с высоким содержанием свободной смолы. Производится на основе модифицированной укрепленной канифоли согласно ТУ-2554- 001-44408713-99 (техническая характеристика приводится ниже).

Сакоцелл-309 является специальным типом канифольного клея, пригодного для проклейки как в кислой, так и нейтральной области (pH 4,5...7,5). Он используется для проклейки бумаги и картона с покрытием и без покрытия, для проклейки бумаги из древесной массы, целлюлозы и макулатуры, а также бумаги, содер­ жащей в качестве наполнителя мел, каолин или тальк.

Уже небольшое количество Сакоцелла-309 дает хороший эффект проклейки. Если в качестве наполнителя используется мел, то расходы клея при выработке высококлееной бумаги составляют 0,5... 1,0 % в пересчете на сухое вещество (или примерно 1,7...3,3 % в пересчете на товарный продукт). Если используется каолин или тальк, то расход снижается до 0,2...0,5 % по сухому веществу (или примерно 0,7... 1,7 % по товарному продукту). Массный поток, содержащий ме­ ханическую древесную массу или работающий при повышенной температуре воды, может потребовать более высокого расхода клея.